远程激光焊接工艺性能评价研究外文翻译资料

 2022-09-14 19:56:01

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远程激光焊接工艺性能评价研究

——汽车案例研究

Apostolos Fysikopoulosa,George Pastrasa,John Stavridisa, Panagiotis Stavropoulosa,b, George Chryssolourisa(*)

a希腊,26500帕特雷,佩特雷大学,archimidous 7,机械工程与航空系,制造系统和自动化实验室

b希腊, TGA 1010雅典, dekelia空军基地, 希腊空军学院,航空研究部

*通讯作者.电话: 30 2610 997262;传真: 30 2610 997744.电子邮件地址: xrisol@lms.mech.upatras.gr.

摘要：远程激光焊接(RLW)对金属结构的高生产性和柔性连接提供了新的可能性,尤其表现在汽车工业。在这项研究中，我们将就远程激光焊接技术的优点和局限性与其主要的竞争技术-即电阻点焊-进行对比讨论。此外，评价策略的制定和实施是一个基于DELMIA的决策支持工具。通过利用汽车装配部门车门焊接的实际工业案例，对这一开发的方法进行了评估和测试。最终，提出了首次的性能评估。

关键词：远程激光焊接；性能评估；车门装配

引言

未来制造业的发展，将趋于更高的自动化、高弹性和模块化，其重点在于无缝的互操作性和环境友好性。制造业这一行业不断尝试着满足多元化和越来越个性化市场的需求，同时还要兼顾成本、时间和质量的要求，更多的定制产品和变种产品需要以更少的资源、材料并在更短的周期内被生产制造出来。除了面对有着更短产品生命周期的复杂多样的经济发展趋势、科学技术的日新月异、客户需求多样性的提升以及生产活动的全球化，制造企业也面临着巨大的环境挑战。在由工业化主导全球经济的世界里，已经消耗了比其所能承受的更多的自然生态资源。在工业化地区，全球生活水平的均衡化在当前的增长模式下是不可能实现的。总体来说，持续性地应对这种威胁，已成为一个全球关注的焦点，特别是对工业部门而言。国家出台的新规定以及能源价格的不断增加，都对制造业企业施加了新的压力。因此，工业部门由于成本和环境的原因，不得不减少能源的消耗。他们试图寻找新的更灵活的方式（“以更少获得更多”）来生产，并在战略上，从“最小的资本获得最大的收益”到“最少的资源获得最大的收益”转变。

例如，汽车工业中所使用的大尺寸和高复杂度的装配线，要求高效、灵活的装配方法，特别是在涉及到连接方法时。激光焊接（LW）是是一种非传统的连接方法，在工业应用中，还没有被充分开发利用，因而十分具有潜力。激光焊接与常规焊接方法相比，表现出高生产力、灵活性、有效性和更多的优势，如更大的熔深、较小的变形扭曲和较高的焊接速度。然而，作为一个大规模生产中的应用，由于激光焊接系统执行时相对较低的加工速度，导致它的低占空比特性。当面对大量必须实现在复杂的三维几何形状（例如，门、地板通道）中的焊点时，这种缺点变得更为明显。为了改进这一缺点，远程激光焊接（RLW）系统这一概念在最近被提出。由于远程激光焊接系统能实现更高的生产力，它在汽车行业上得到了广泛的关注。但是，由于其投资成本很高，引进这一创新的设备对企业来说是一个重大的决定。

对于远程激光焊接来说，其主要的竞争对手就是电阻点焊（RSW）。这种技术在汽车车身修理厂有着广泛的运用。到今天为止，所有的后期加工独立的汽车车身钣金件，都是通过电阻点焊焊接成子组件的。一个典型的子组件包含3000-4000个焊点，采用250-300个机器人、多点焊机、控件和其他辅助设备完成。电阻点焊的主要缺点是如果不做重大修改，设备在适应新的子组件将表现出天生的不适应性。在这样一个生产过程、系统设计以及建造都被加速而且还要求改变的付出尽可能小的快速发展的市场中，这个缺点就变得非常突出明显了。远程激光焊接（RLW）可能会遇到上述问题，但通过将良好的可调性、更高的焊接速度、更快的定位能力和更强的灵活性这几特点相结合，它将更具优势。

在这项研究中，我们将展示一种远程激光焊接的性能评价策略。远程激光焊接与其主要竞争技术电阻点焊，将利用汽车行业中一个实际的工业案例来进行对比检测研究。利用工业数据和实际的车门焊装机器人单元的模拟，对两种焊接技术进行评估。

文献综述

远程激光焊接系统目前的现状

远程激光焊接的原理是激光扫描仪将聚焦激光束置于距离工件表面通常1000-1600毫米的地方。扫描仪可以以高达6m/min的焊接速度使激光束转换成1times;1m甚至超过2立方米的超大3D工作区域。今天的远程激光焊接系统有两个基本结构：扫描仪集成（龙门）系统和机器人系统。上述配置可配备不同的激光源，其中，掺钕钇铝石榴石激光器和CO2激光器是最常见的。两者的区别对应于不同的光束传送能力。

CO2激光器需要反射镜将光束从谐振腔反射至扫描头，对比其他激光源，其灵活性较差。为了克服上述问题，远程激光焊接系统被设计成一个紧凑的龙门式单元：龙门架上方承载激光谐振器，下方是扫描仪。

在图一中显示的是掺钕钇铝石榴石固体远程激光焊接系统。掺钕钇铝石榴石固体激光器由于其波长的原因，允许光束通过光纤传输，而谐振器可以远离扫描头很长的距离，甚至高达几百米。这样一来，扫描仪就可以连接到机器人手臂上，增加总工作范围。

图一

这些所提及的系统都有他们各自的优缺点。机器人手臂的惯性使总的周期时间稍长，但三维扫描头的三维操作控制增加了系统的灵活性。此外，光纤的解决方案，方便了光束的共享与应用。另一方面，CO2的RLW系统实现了令人难以置信的快速循环时间，但降低了3D处理的灵活性，因为所有焊接面焊接部分的焊接都需要产品或激光头的旋转。

今天，RLW系统主要应用于组件需要焊接大量焊缝的大批量产品。工业中最先开始受益RLW系统的是汽车行业。该工艺过程已广泛实施在汽车制造的各个环节，如密封，支柱和座椅。就拿欧洲汽车行业来说，其中之一的菲亚特就引进了RLW系统。公司的目的是利用RLW技术在增加生产量的同时降低焊接与加工的时间。在Mirafiori工厂，装配车门的机器人点焊机被双夹具掺钕钇铝石榴石RLW系统取代，从而在资本投资上减少了了15%，生产率提高了20%。此外，与传统机器人焊接系统相比，占地面积减少50%。雷诺还采用RLW单元焊接科雷傲C85车型的前门组件，引入的新焊接技术以一个占地面积808平方米的五足机器人远程激光焊接系统取代了原来那个占地面积1050平方米、需要12个机器人的电阻点焊系统。拥有93个右侧和左侧的激光焊接头，而不是130个右侧和左侧的电阻焊接头，这两个---即在雷诺工厂的---RLW系统，能在66秒内完成一次生产组件的焊接循环。最后，雷诺的远程激光焊接系统对科雷傲C65车型的前门用了38个激光焊接头并采用双夹具。

RLW的基本含义

不幸的是，由于远程激光焊接具有一定的局限性，因而制约了这一焊接技术融入工业环境中的步伐，这其中最重要的就投资成本和焊接质量。一个远程激光焊接系统的投资成本比其他焊接系统大得多。有一个关于机器人点焊系统间的成本比较，对象是一个四足机器人点焊系统、一个用固体CO2激光头的远程激光焊接系统以及一个用光纤激光源和光束传输的远程激光焊接系统。得出的结论是：只要他们的数量每年低于500万条焊缝，那电阻点焊系统在成本方面就很有竞争力；然而，随着生产量的增加，远程激光焊接系统的速度响应更好。此外，随着单个焊接头失灵而不能配合焊头阵列工作，电阻点焊系统的劳动成本随之增加。

至于焊接质量，一些影响渗透和焊接深度的加工参数，如激光功率、焊接速度、光束的倾斜和焦点位置，都应进行进一步的研究核查。根据前面所诉，焊接速度快是远程激光焊接系统最重要的特点之一，选择是否适当通常取决于功率密度，需要渗透，激光模式、焦点位置和重新扫描数。此外，光束倾斜对焊接深度和界面宽度会有影响，因为它会影响功率密度和吸收率。据悉，20ordm;到30ordm;的倾斜范围对焊接过程的影响不显著，因此对焊接质量的影响也较小。然而，超过60ordm;的倾角对焊接穿透深度影响很大。此外，焦点位置引发对穿透深度和切缝质量的各种影响。适当选择的焦点位置可能取决于材料。此外，由于汽车行业的镀锌钢广泛用于白车身的生产，远程激光焊接系统在焊接这些材料时的表现是否能被行业肯定是至关重要的。一个主要的问题是，在焊接过程中的锌易蒸发，因为与钢的熔化温度（1530℃）相比，其沸点（906℃）较低。激光基于其产生过程，结合对覆盖结构采取合适的间隙来避免锌蒸汽在到达焊接小孔受压来解决这一问题。然而，这种方法也有它的缺点并且还需要通过大量的实验，使得利用RLW系统焊接也能得到令人满意的焊接质量。

远程激光焊接系统的性能评估

如上所述，远程激光焊接也许能克服当今这个充满竞争的工业环境下的一些挑战。在进行任何的投资之前，应该首先制定相应的性能评估策略。为了实现这一点，远程激光焊接系统和电阻点焊系统作为对比实验对象，被模拟于DELMIA环境下，汽车中的零部件车门被选作实验操作对象。对真实的汽车制造单元的虚拟表征和模拟，将在选定的关键性能指标（KPI）方面，为这两种相对的焊接技术提供重要的性能评估数据。之前这一领域的研究表明，应将成本、时间、质量、灵活性以及能源消耗作为重要的参考标准。这些选定的有利于上述标准量化的关键性能指标如下：

占地面积：即完成装配功能的单元所占的区域面积。它简单定义为放置机器（或者机器人的工作范围）所必需的空间。在我们这一案例中，就是近似为矩形的单元，即占地面积=长times;宽，其中长宽为单元的长与宽。

机器人数：即完成所研究产品的装配环节所必需的机器人数，它是设计人员规定的输入量。

周期时间：即在单元里完成一部分处理所持续的最长时间。它将作为任一环节模拟的输出量。

能量消耗：即完成一部分装配所需的能量。它由下面的公式计算而得：

能量消耗=预处理能量 工作能量 待机能量。其中预处理能量是每个机器人运动所消耗的能量，工作能量为每个电阻焊点或激光束消耗的能量，待机能量为机器人处在待机状态时消耗的总能量。

对于预处理能量的计算，假设主要的能量消耗的产生是由于电机内阻的焦耳效应，此外假设每个电机的电流与它施加的转矩成比例。施加在轴i上，tau;i能用角度theta;i、角速度Vtheta;i和角加速度alpha;theta;i 的函数表示，利用拉格朗日定理表示为

(3)

其中，T是动能，V是重力势能，利用机器人模型表示公式中的角度和角速度。一旦公式（3）建立，然后替换机器人轨迹表达式theta;i(t)得到扭矩作为时间的函数，于是机器人电机消耗的电能就等于 （4）

其中，Ri是电机i的内阻， ci是电流I与电机i的扭矩之间的瞬时系数(Ii=citau;i)。对公式（4）中的P数值积分可以得到处理能量。对于计算过程能量，可以使用以下公式：

（5）

其中，Njoints是研究产品所需要的激光束和电阻焊点数，同时，Ejoint是每种焊接方法完成一道焊缝所消耗的能量。

最后，待机能量的计算运用如下公式

（6）

其中，Pidle是被机器人处于待机状态时消耗的电能tidle是机器人在一次操作中处于待机状态的时间。

整体运营成本：即一个组件在制造单元内组装所需的成本，并由以下公式计算得出

Overall Cost=Induced Investment Cost Induced Repair Cost Energy Cost （7）

其中，潜在投资成本是购买每部分工艺设备的支出，潜在维修费用是在生产中花费的总维修费用，能源支出是在进行零件组装时按每千瓦时消耗的成本。

潜在投资成本由下面的公式得出： （8）

其中，循环时间为零件加工持续的最长时间，预期寿命是制造设备元件的制造商预计其可使用或可信赖的时间，投资成本是最初用于购买所需设备的成本。

潜在的维修费用由下式计算得出： （9）

其中，循环时间为零件加工持续的最长时间，平均故障间隔期（MTBF）是单元运行过程中预计出现固有故障的时间间隔，每次修复的成本是修理每一单元所可能出现的故障的成本。最后，能量消耗计算公式为： （10）

其中，能量消耗为所有单元运行消耗的能源，能量单位成本是每千瓦时的价格。这两种用于评估的生产单元的输入量显示如下表。周期时间和处理能量都由模拟的输出量计算得出。

表1.电阻点焊系统和远程激光焊接系统的占地面积和机器人数

占地面积（㎡）

机

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