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由IPG研發的激光步進線焊機（LSS）是可媲美標準電阻點焊槍的創新型激光焊接工具，其主要原理是先將待焊工件壓合在一起，然后再利用激光輻射進行焊接。LSS具有一體化的激光安全設計，能極大地簡化加工應用條件，降低投資成本，手持式配置及單面設計能夠進一步拓展加工范圍及應用范圍。汽車制造過程中的搭接接頭（白車身）及立體框架結構都可以在一般生產環境下完成，從而大幅降低成本。通過與不同汽車制造商在車型設計初期就開始的密切合作，LSS在系列車型的試制過程中不斷完善工藝，最終達到批量生產中高達99.9%的可靠性。激光系統的高度可重復性（光纖激光器及焊槍），能夠在規模生產中確保產品質量始終如一，降低由于自身生產原因造成的返修。 介紹 近幾十年來， 激光焊接技術已經逐步發展成為汽車制造及精密加工行業焊接技術中不可分割的一部分。無論是動力系統中的精密預制部件焊接，還是客戶定制板材的生產，都能夠通過激光實現。然而，要想在普通的車身生產車間使用激光器，可能會有點困難，這主要是由于激光工藝對夾具的精確度及焊縫追蹤的靈活性有很高的要求，此外還需要配備激光安全房，在現有條件下，這些無疑都成為應用激光焊接工藝的障礙。 更高的二氧化碳排放標準意味著生產商必須進一步降低車體重量。為了達到減重目的，在降低法蘭寬度的同時，人們開始使用高強鋼和鋁合金材料。 在該應用領域中，激光步進線焊機（LSS）為用戶提供了除標準激光焊接（如遠程激光焊接）及標準電阻點焊之外的新選擇。LSS與IPG高效光纖激光器相結合，使用戶在朝著“節能省錢”的目標前進一大步。 關于激光步進線焊機（LSS） LSS，也就是我們所說的“IPG激光步進線焊機”，兼具多重優勢，能夠極大地簡化激光技術在車身生產車間內的應用。 使用LSS時，將需要接合的板材置于兩個夾片之間，先用可控制的力（≤3kN）壓合，然后在一個集成的激光屏蔽外殼內將工件焊接在一起。擺動焊縫最長可達40mm。擺動頻率、焊接速度及焊接長度均可通過編程控制及調整。通常情況下，產生的焊接煙塵都會處于上方壓力元件的屏蔽之內，受到壓縮空氣的抑制，并被抽離到旁邊的專用儀器內。在焊接不銹鋼、鋁或是鈦時（如圖1所示），可以使用保護氣體，確保表面清潔，防止氧化。
圖1：40mm擺動焊縫形態（從上到下依次為：MnB合金鋼、鋁、不銹鋼） LSS用于白車身鈑金件的焊接 如今，高強鋼在車身設計中的應用越來越廣泛，與此同時，生產商對于接合區域焊點剛度的要求也越來越高，在很多情況下，傳統的電阻點焊工藝已經很難滿足要求，其中一個原因是電阻點焊對焊點間距有一定的限制，另一個原因是較高的熱輸入會對材料產生不良影響。
圖2：Volkswagen Golf VII車身制造（用激光步進線焊機焊接三角窗） 我們來看一個例子。Volkswagen Golf VII車身所采用的接合工藝使接口具有很高的強度，這樣能提供很多優勢，如圖2所示的A柱三角窗，以及B柱與門檻的交叉連接。 在焊接三角窗時，增加連接處的強度是很重要的。此外，在焊接B柱與門檻的交叉連接時，LSS還能夠縮短加工時間，用9條激光焊縫代替26個電阻點焊形成的焊點。在車頂焊接中，4條擺動激光焊縫可以代替10個電阻點焊形成的焊點（如圖3所示）。
圖3：左側：B柱與門檻的交叉連接；右側：車頂梁 激光點焊在焊接外面板及懸掛零件時還有獨特的優勢。這些應用的特點是焊縫長度較小，所使用的光纖激光器具有更好的光束質量，通常激光器功率小于1kW。在該應用中，可以使用所謂的“微步焊接”，長度不超過12mm，而且焊縫位置可以非常靠近切割邊緣。
圖4：用LSS在靠近切割邊緣位置進行的外面板“微步焊接” 使用“微步焊接”時，法蘭寬度只要6mm，這一點對于敏感構件特別重要，例如圖5所示的車窗上邊框。與傳統的電阻點焊工藝不同的是，在使用激光焊接工藝時，板材只需要在焊接之前固定，而且在加工之前或之后不會變形。另外，在使用電阻點焊工藝時，電極頭對材料形成的壓力會導致焊點周圍區域的材料產生塑性變形，進而造成整個部件變形。在這一點上，無作用力的激光焊接工藝具有顯著優勢。
圖5：位于車門框架的6mm法蘭焊接 對于那些焊縫數量較少，或是可變性較高的部件而言，手持式LS S 3 系統是最佳選擇。在這類應用中，借助關節臂和平衡器，一名操作員就可以輕而易舉地將激光焊槍（重量：38kg）移動至所需的焊接位置（ 如圖6所示），然后進行手動焊接。伺服器驅動焊槍閉合，將兩個部件通過夾緊力壓合在一起，隨后觸發激光器，根據設定完全熔透所需的激光功率進行自動焊接。
圖6：安裝在關節臂和平衡器上的手持式LSS3，連接4kW激光器及一體化控制器 LSS單面槍的應用 LSS單面槍在船舶制造業中的應用在許多實際設計中，框架結構常常使用金屬板進行覆蓋，或者金屬板材應用中往往使用鋼架進行強化。所以，采取適合的技術方案，確保板材與框架之間的接合具有高度重復性，無變形，無扭曲，對于生產而言至關重要。在這一點上，激光焊接工藝的單面可達性具有巨大的優勢。圖7為使用機器人引導的LSS（單面槍）將方形加強筋焊接到鋁板上，以達到提高材料整體強度的目的。
圖7：LSS（單面槍）進行單側應用 借助激光步進線焊機（單面槍），可以制造鋁制船體。強化結構從內側向外面板焊接，如圖8所示，外面板上未顯示出任何由于熱影響區造成的變形或是瑕疵。無變形、無瑕疵能有效減少返修，提高產品質量。通過調整激光步進線焊機的擺動函數，還可以提高焊縫寬度（如圖9所示）。強化梁的厚度為3mm，外面板為8mm。我們的目標是實現接口處焊縫寬度最大化，同時對外面板表面的影響最小化。為了使焊接速度達到6mm/min，選擇3.5kW激光器。焊縫長度約為30mm，寬度4mm，焊接深度5mm。
圖8：由激光步進線焊機（單面槍）焊接的鋁制船體 激光點焊槍的應用，極大地改善了焊接質量，不僅能有效減少準備工作，降低返修率，甚至還幾乎淘汰了昂貴的焊接夾具，相較于傳統的氣體保護焊，其優勢不言而喻。 LSS在鐵路運輸設備制造業中的應用鐵路運輸設備制造業中，車廂的設計通常為板材加強化結構，材料多為碳鋼、不銹鋼或鋁。目前，人們主要是通過熔化極氣體保護焊（GMAW）將強化材料與基材接合起來，但是這樣會導致外面板上出現明顯的變形。因此必須再進經過一道復雜的矯正工藝。圖10所示為利用激光步進線焊機（單面槍）進行的側面板焊接。
圖9：在焊接鋁板時調整激光步進線焊機（單面槍）的擺動幅度，提高焊縫寬度 （左側：上方俯視圖；右側：橫截面圖） 在加工過程中，將側板放置在相應位置上，利用一套簡單夾具將強化部件對齊并固定。然后將單面槍固定在一個龍門系統上，并將焊接設備移動至焊接位置。單面槍將強化部件與基材壓在一起，然后在一個具有遮光性的壓力構件內進行焊接。 壓力構件的主要作用是下壓，盡可能減少兩個部件之間的焊接縫隙，同時又可以作為屏蔽激光輻射的安全遮罩。
圖10：激光步進線焊機（單面槍）焊接客運列車側板 激光焊接工位上引入壓力構件，使人們在加工大型部件時也不需要配備完全密閉的安全房，只要借助一臺起重設備就可以了，因而能夠極大地降低投資成本。 使用LSS的經濟效益評估在與INPRO（INPRO是一家位于柏林的致力于提供汽車行業頂級生產系統的創新公司，合作伙伴包括戴姆勒、大眾、西門子、蒂森克虜伯及SABIC）的合作中，技術人員對電阻點焊工藝與激光步進線焊工藝進行了對比，對比指標包括基本的物理技術性能，零部件使用性能，碰撞性能和經濟性等方面的指標。 圖11顯示了LSS和電阻點焊的綜合對比結果，紅線為電阻點焊，藍線為LSS。越靠近中心點，表示數據越好。
圖11：電阻點焊 V.S. LSS的綜合評估 評估數據顯示，LSS在焊接質量上相當于，甚至是優于電阻點焊，在完成相同焊接任務時，前者所需時間僅為后者的一半。經濟效益評估結果表明，如果是800單元全自動生產線，三班運轉，成本可降低6% -10%。 總結 如今，激光加工工藝已經發展成為現代化生產系統中至關重要的一環。與傳統生產工藝相比，激光工藝具有顯著的性能優勢及靈活性，獲得了研發工程師及工藝設計師的認可。 隨著汽車行業的發展，電阻點焊和激光遠程焊接的應用已頗具規模。這兩種工藝各有優劣。對于激光遠程焊接而言，其優點是加工周期短，而這主要得益于遠程焊幾乎沒有待機時間而且焊縫質量高；相較于激光焊接而言，電阻點焊的主要特點在于自帶夾具，無需額外成本。 如今，我們有了一種新型激光焊接機，這種高效快速的焊接機集兩者的優點于一身，可靠、安全、且自帶夾持組件，這就是來自IPG的激光步進線焊機（LSS1、LSS2、LSS3及LSS5）。 LSS系列激光步進線焊機為一類激光設備，可在無專用激光安全防護的生產線上直接應用。這與傳統的激光焊接技術相比是一個巨大的進步，因為后者往往需要在專門的激光安全防護裝置內進行焊接，所需經濟投入和占地面積都非常大。目前，這種新型焊接系統已應用于白車身及鈑金件的生產，并顯示出無可比擬的優勢： — 加工速度更快（循環時間更短）； — 長縫焊，因此部件強度更大、扭轉剛度更高； — 投入與電阻焊接系統相當； — 能夠以較低的成本滿足更高的操作安全需求。 LSS模塊可將光纖生成的激光光束引導至指定位置。出于安全考慮，激光束將由一個小角度漏斗形外殼進行引導。只有當外殼接觸到所需焊接的零部件時，激光束才能發射出來進行焊接。 該模塊可在外殼確定的范圍（標準長度=40mm）內進行有或無擺動（+/-1mm擺動范圍）功能的激光焊接，擺動功能可增加實際的焊縫長度。在與創新型汽車生產企業的合作中，技術人員對激光點焊焊工藝與電阻點焊工藝進行了對比，對比指標包括基本的物理技術性能，零部件使用性能，碰撞性能和經濟性等方面的指標。 鑒于激光步進線焊機所具有的種種優勢，這一新型激光工具已經在全球范圍內廣泛用于汽車制造、船舶制造、鐵路運輸以及家用電器等多種行業。 |
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