理事長的話
本期目錄
〔產業報導〕
敬愛的鈑金業老闆先進
雷射切割技術最新發展
運動〈雷射應用發展協會〉
文／郭俊生翻譯 金屬工業研究發展中心
〈鋪橋造路〉事業共業同進
出版單位／
積極辦理專題專業活動聯誼
臺灣雷射應用發展協會
培訓培育新一代
電話／04-2567-9545
文／邁恩捷國際有限公司
傳真／04-2567-9476
兩人為雙 –（許）事成雙
美饌珍饈
網址／www.taiwanlaser.org.tw
三人為眾 – 齊眾力合
享受的好味道
Email／tlada99@gmail.com
蓄積功勞，走來走去靠過去
濃濃人情味
成功法則，失敗挫折
享用工業技藝
（代）為傳授，（代）為傳導散播
獲生活美滿幸福
落在交棒代代承襲
高興相見，喜相逢
框圍社會涓滴匯聚
將您的批評指導
舒暢快意流瀉
相互搓糰作大
動靜閥門的觸動
佔領群體優勢
發行單位／
臺灣雷射應用發展協會 發行人／洪文集 理事長
理事長
臺灣雷射應用發展協會全體會員熱烈邀請 ...
加工現象的基礎（下）15 文／金岡 優｜三菱電機—機械產業事業部 主管技師長 翻譯／新武機械貿易（股）公司 〔會員交流〕
學術編輯委員會 召
文／郭志華 志鋼金屬（股）公司 總經理
人／陳順開
執 行 編 輯／秘書處
13
〔專題連載〕
台灣金屬創意館／ 志鋼金屬（股）公司
集
09
文／武漢華工激光工程有限責任公司 副總經理 李斌
焊接工作桌-焊接品質的決勝點
辛勤奉獻 – 為己、為家、為國家社會大眾
高潮迭起求平凡落定安心自在
汽車白車身車頂蓋鐳射焊接系統
地址／臺中市42881大雅區中科路6號8F-8
一人為單 – 擔心承擔
抑揚頓挫
04
21
出版編輯委員／洪文集、秘書處
協和特精密鈑金有限公司
統籌編輯校稿／司徒萍
文／王文義 協和特精密鈑金有限公司 董事長
編排設計印刷／上立紙品印刷股份有限公司
捷暘工業股份有限公司
26
30
文／詹德興 捷暘工業股份有限公司 董事長
在
機械鈑金界 服務 的 朋 友 入會 !!!
團結力量大，志業的志氣大，把餅做大， 當我們同在一起，利潤榮耀分享。
發行日期：中華民國一百零三年三月 第十期
川勤雷射精工
35
文／張博文 川勤雷射精工股份有限公司 總經理
旭東機械
37
文／莊添財 旭東機械工業股份有限公司 董事長 〔會員專區〕
103年度國內工廠參觀活動花絮 02 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
39
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 03
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
在光束品質（mm‧mrad）方面，光 後鏡片
纖雷射的品質2 mm‧mrad優於CO 2 雷射3.4
出力鏡片 電極
mm‧mrad如圖3所示。在相同的雷射出力功
雷射切割技術最新發展
率下，聚焦光斑直徑越小，其能量密度越高，
玻璃管
再加上吸收率較高及光束品質高的相乘效應之
—光纖雷射切斷設備
送風機
下，在CO 2雷射難以切割的材質，光纖雷射將 其變成可能，亦即擴大雷射切割的材質及厚度 等應用範圍。
文／郭俊生 編譯
真空ボソブ
熱交換器
圖4.CO2雷射共振腔構造圖
厉力起用ダイオード群
光纖雷射和
金屬工業研究發展中心
雷射的光束發散角之比較（出力 ※於焦點光斑直徑
光束發散角 光束直徑 〔
）
的場合
LD# LD# LD#
‧
LD# LD# LD#
雷射 光纖雷射
〕
真空幫浦
厉力起用ダイオード群
ダブルクラツドフｧイバー
FBG
FBG
マルチ
カブラー
LD# LD# LD#
マルチ
カブラー
マルﾁﾓｰドフｧイバー
LD# LD# LD#
フｧイバー レーザ
光纖雷射的光斑直徑的變動率低 光束發散角
一、前言 30
年代發明CO 2雷射切割設備以來，一直是雷射 切割加工機的主流，其應用以機械設備、造 船、橋樑及金屬製品等產業。光纖雷射經過10 年以上的發展，早期2KW以下的光纖雷射加工 機主要應用於薄板的切割，並已取得切斷性能
吸收率（％）
鋼板雷射切割不論在國外或國內，自1980
1.08 μm
Copper
光束聚焦景深的距離〔
25
〕
Mild
圖3.光纖雷射與CO2雷射的光束品質比較
20
AL
15
Fe
2.運轉成本低-CO2雷射為氣體雷射，而光
10
纖雷射是固體雷射。其雷射光激發的模
5
式不同，CO 2雷射是靠放電能量轉換為
優及維修成本低兩方面極高的評價，隨著6KW 0.3
高功率光纖雷射的平價設備突起已逐漸取代
0.5
1
CO 2雷射加工機，主要是其性能更加優越，尤 其是在厚板切割的能力。
圖5.光纖雷射發振器的模組結構圖
‧
CO2レーザ 10.6 μm
ファイーバーレーザ
2
4
波長 （μm）
6
8 10
20
雷射光能，而 光纖雷射則是二極體雷 射光轉換為雷射光能，其轉換效率相當 高，能量轉換效率越高則其發振器溫度
圖1.雷射波長與吸收率的關係
越低，使用的冷卻循環系統的需求越 少。在同一雷射出力功率的整個系統消
二、光纖雷射的特徵 光纖雷射主要解決CO2雷射的3大困擾，分
d=
別敘述如下： 1.擴大加工領域-光纖雷射的波長1.08μm
f
4 λ fM 2
πD
約為CO2雷射波長10.6μm的1/10，波長 短則金屬材料的吸收率較高，如圖1所 示。依聚焦鏡對於雷射光聚焦的光斑直
d
本約為CO2雷射系統的1/3。 3.低維護成本且長期穩定-CO2雷射加工機 必須花很多的維修時間及費用，而光纖 雷射系統其維修頻率非常低，剛好解決
（M2：ヒーム品質を表す係數）
此問題。主要跟其發振結構有關，CO 2 雷射發振如圖4所示，光纖雷射發振如
徑的理論，約為CO2雷射的1/10，如圖2
圖5所示。
所示。 圖2.光斑直徑的計算公式
04 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
費電力的需求，光纖雷射系統其運轉成
從 其 發 振 結 構 中 可 比 較 出 ， C O 2雷 射 的 基本構造包括CO 2氣體的真空循環迴路，以及 CO 2分子發振的能量電極，在真空循環迴路中 主要是真空幫浦、送風機、及熱交換器等機械 部品均必須定期更換油品及其零組件，在發振 的真空管中，需定期清潔可能受灰塵附著的出 力鏡組及後端反射鏡片，並且須定期做光學部 品的校正，其施工必須非常專業才能確保設備 的性能。這些對於一體組裝結構的光纖雷射發 振器均不需做定期維修保養。 在就雷射導光系統而言，如圖6所示， CO 2雷射光束需以反射鏡組來做輸出，無法採 用光纖作為導光系統，而光纖雷射則可以光纖 作為導光系統，可減少鏡組的定期清潔保養及 光學校正的費用。CO 2雷射由於其波長的因素 無法採用光纖導光，需靠十數枚的反射鏡片來 做導光的任務，因此有光學鏡片塵埃附著及內 外光路的校正等維修的困擾，而光纖雷射除了 有聚焦鏡組的鏡片清潔問題外，則無其他重大 問題。因此在整體穩定運作及維修成本的表現 上，光纖雷射優勝於CO2雷射。
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 05
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
效益越高，而其純銅、黃銅及鈦金屬的薄板切 割加工件如圖7所示。
発振器 發振光纖
表2.光纖雷射與CO2雷射的加工速度(4KW)
CO2雷射
発振器
傳輸光纖
ﾘｱ
材 質
出力
ミラー
370
3.2
230
6.0
100
12.0
60
22.0
75
鈦金屬，而光纖雷射則是適用於鋁合金、純銅
1.0
540
及黃銅，但不適於壓克力。最大的切割厚度的
3.0
210
6.0
130
圖6.發振器至雷射鏡頭模組之導光系統的比較 不銹鋼
三、薄板切割加工的應用 較，在材料厚度及加工速度如表1及表2所示，
12.0
75
1.0
600
3.0
250
6.0 12.0
140
鋁合金
的切割表現比較，在材料適用性的表現如表4所 示，CO 2雷射在中厚板的切割最適於不銹鋼及
表現如表5所示，可比較出碳鋼的表現相同，不
此為CO2雷射無法勝任的材料。從表2可得出光 纖雷射切割加工速度在碳鋼、不銹鋼及鋁合金 等薄板（≦3.2mm）均為CO2雷射的2倍以上， 最大可達5.4倍，因此光纖雷射可能實現超高速 切割，主要如前所述的光吸收率高、聚焦點很 小、光束品質高及能量密度高等相乘效應使其
表4.高功率光纖雷射與CO2雷射的適用材料
鐵(軟鋼、合金鋼) 不銹鋼
單位：円/m 不銹鋼
鋁合金 ファイバー
金屬材料
鋁合金 鈦金屬
ファイバー
CO2
ファイバー
t=1.0
2.1
4.6
1.4
8.1
0.2
2.4
銅
t=3.2（※） t=6.0
3.3
5.2
8.0
16.1
10.8
25.4
黃銅
5.1
7.9
55.0
50.6
52.3
58.5
陶瓷
t=12.0
25.7
17.1
576.2
244.2
247.4
497.3
紙
CO2
速度。在圖10可得知於鋁合金的切割效率中， 6KW光纖雷射明顯優於CO 2雷射，其最大厚度 則可達25mm，而CO2雷射僅可達15mm，且切 割速度均在CO2雷射的2倍以上。 在沖孔加工時間的表現如圖11-13中所示， 金的沖孔加工，可得知光纖雷射的沖孔效率均
240
表3.光纖雷射與CO2雷射的加工成本結果比較
軟 鋼
於25mm的切割速度則略高於CO 2 雷射的加工
採用雷射的脈衝功能進行碳鋼、不銹鋼及鋁合
雷射較好。
※CO2レーザ加工速度を100％とした時の值データは当社実測值に基づく
板 厚
25mm，而CO2雷射則可達40mm，但在厚度低
銹鋼則是CO 2雷射較佳，至於鋁合金則是光纖
從表1可比較出，光纖雷射在不銹鋼及鋁合金 的切割加工厚度較好，並可切割紅銅及黃銅，
6KW高功率光纖雷射與CO 2雷射在中厚板
1.6 軟 鋼
加工鏡頭
銹鋼的切割中，6KW光纖雷射最大厚度僅能達
540
鏡片
加工鏡頭
四、中厚板切割加工的應用
1.0
放 電
光纖雷射與CO 2雷射在薄板的切割表現比
單位：％ 最大切斷速度比較
板厚（mm）
ミラー
厉力起用LD
射在碳鋼的切割效率相近。而圖9可得知於不
鏡片
ラー
CO2
※不銹鋼和鋁合金是以t=3.0為基準所計算出來。
非金屬材料
發揮最大效能的結果。
石英玻璃 布 壓克力 木材
CO2雷射
光纖雷射
○ ◎ ○ ◎ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○ ○ ◎ ○ ◎ ◎ ○ ○ ○ ○ △ ○
明顯高於CO2雷射。
CO2雷射 光纖雷射
切斷速度
鏡片
圖8中可比較得知，高功率光纖雷射與CO 2 雷
板厚
圖8.碳鋼的切割速度(雷射輸出功率6KW)
CO2雷射
表1.光纖雷射與CO2雷射的加工板厚
表5.高功率光纖雷射與CO2雷射的最大切斷板厚 單位：mm
レーザ種類
光纖雷射
CO2雷射
加工機
FOL3015AJ
LC3015F1
材質
雷射功率
4kW
2kW
4kW
2kW
軟鋼
22.0
16.0
22.0
16.0
不銹鋼
18.0
10.0
15.0
8.0
鋁合金
16.0
8.0
10.0
6.0
銅
8.0
4.0
?
?
黃銅
8.0
5.0
?
?
CO2雷射
光纖雷射
32mm
32mm
光纖雷射
切斷速度
光纖雷射
在切割加工速度的表現如圖8-10所示，從
軟鋼
板厚
圖7.光纖雷射的純銅、黃銅及鈦金屬的切割加
40mm
工件
25mm
圖9.不銹鋼的切割速度(雷射輸出功率6KW)
CO2雷射
不銹鋼
從其加工速度的差異可計算出加工成本 的比較如表3所示。在不銹鋼及鋁合金等薄板 15mm
（≦3.2mm），光纖雷射的加工成本為CO 2雷 射的1/10至1/2以下，在碳鋼的表現上就沒有非 常出色，大概在1/2至2/3以下，但是有一 趨勢 即是越薄的板厚，光纖雷射的加工成本越低及
06 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
鋁合金
25mm
切斷速度
光纖雷射
板厚
圖10.鋁合金的切割速度(雷射輸出功率6KW)
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 07
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
（2）光纖雷射加工機未來設備的研發方向 為產能提升及超高速加工機台的作 業安全性。 ピアツソク゜ 時間
CO2雷射 光纖雷射
（3）光纖雷射在薄板方面的優秀表現已普 遍被板金業界所肯定並接受。 （4）光纖雷射在中厚板方面的表現，由於
汽車白車身車頂蓋鐳射焊接系統 線上車身鐳射焊接主要用於車身框架結構的焊接，例如頂蓋與側面車身的焊 接。採用鐳射焊接技術，可以提高產品設計的靈活性，降低製造成本，
高功率剛推出，初期其切割的條件
工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了
及應用範圍仍未完整，因此其表現
板材使用量也提高了車體的剛度，
板厚
仍不能予以下定論，本文中比較出
提高產品的競爭力。
圖11.碳鋼的脈衝沖孔時間
碳鋼的表現相同，不銹鋼則是CO2雷 射較佳，鋁合金則是光纖雷射較好 及沖孔時間光纖雷射較短等的初步
ピアツソク゜ 時間
CO2雷射 光纖雷射
結論，應會隨著設備的進化及製程 參數的優化而有更好的表現。 （5）整體而言，光纖雷射加工機在加工硬 體及控制軟體的持續精進下，其產能
文／武漢華工激光工程有限責任公司 副總經理 李斌
及加工品質將會逐漸取代已風光30年 板厚
圖12.不銹鋼的脈衝沖孔時間
的CO2雷射加工機。但是CO2雷射加 工機仍然有其特有的優點，例如非金 屬及玻璃等材料的加工，是無法被取 代的，因此仍須視需求來選用合適的
ピアツソク゜ 時間
CO2雷射 光纖雷射
雷射加工機及周邊設備。
六、參考資料 1.“最新ﾌｧｲﾊﾞｰﾚｰｻﾞ切斷機”，古城 昭、 板厚
圖13.鋁合金的脈衝沖孔時間
大森 工、田中 彬人，溶接技術 2012 年8月号 P50-55。 2. “薄板切斷 への 自社開發 ﾌｧｲﾊﾞｰﾚｰｻの 適用”，原 英夫，溶接技術 2012 年8
五、結論 綜合以上的特性及性能展現，可歸納出以 下幾點意見。 （1）光纖雷射比CO2雷射更優的有光束品
08 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
月号P42-49。 3. “厚板切斷におけるﾌｧｲﾊﾞｰﾚｰｻﾞVS CO2 ｰﾚｰｻﾞ ”，沼田 慎治、山岡 龍起， 溶接技術 2012 年8月号P56-62。
鐳射焊接在汽車工業中已成為標準工藝。 在車身裝配生產線上，五軸鐳射加工機或光纖 傳輸的鐳射加工系統已廣泛用於鐳射焊接。美 國三大汽車集團（通用、福特和克萊斯勒）、 歐洲汽車製造公司（如RENAULT、VOLVO、 AUDI、BENZ和BMW）生產線上採用鐳射焊接 機器人，以通用汽車公司為例，其線上使用雷 射器達200臺以上。德國大眾公司在Audi A6、 Golf A4及Passat等品牌車型的車頂均採用鐳射 焊接。 隨著先進製造技術的發展，實現焊接產品 製造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨 勢。從國際上看，知名汽車公司都爭先恐後地 在車身製造中應用鐳射焊接技術，以保證產品 品質和產品技術先進性，在日益激烈的產品競 爭中立於不敗之地。這種趨勢在國內的合資企
質、光束傳輸簡易、省能源、省空
業中已得到體現。但國產品牌汽車的車身大規
間、免維修及系統運作成本低等，
模線上鐳射焊接還是空白，提高產品品質，在
使得目前在節能環保的需求下，已
國內開展有關應用研究工作，掌握關鍵技術、
有加快光纖雷射加工機普及化應用
工藝，形成自主研發、創新、生產能力，是大
的趨勢。
勢所趨，也是國產品牌走向國際市場的基礎。
基於鐳射焊接的車身結構設計 與傳統零件相比，鐳射焊接需要更為穩定 的三維尺寸精度，對車身焊縫位置設計提出了 更高的精度要求與品質保證。為了保證車身生 產的穩定性，我們必須控制鐳射釬焊相關的各 個零件的功能尺寸，並且確定在合適的範圍內 波動時，焊接外觀品質不會發生變化。 車身側圍和頂蓋的衝壓件採用傳統的多次 衝壓方式，難以保證鐳射焊接區域對公差的要 求範圍，衝壓必須嚴格保證幾何尺寸。改變傳 統的兩次成形，一次衝壓A、B和C三個區域和 分塊結構，通過同一加工基準，同一設備，同 一安裝窩座加工安裝，保證鐳射焊接區域面度 是一致的。 在外觀方面，傳統側圍起皺嚴重，會影響 鐳射焊接。車身衝壓件裝配後，多使用電阻焊 接，工件不受扭轉力矩，當工件的重力與點焊 時加壓方向一致，焊接壓力足以克服工件的彈 性變形，並仍能保持準確的裝配位置與定位基 準貼合。 在進行車身頂蓋設計時，需要根據調試情
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 09
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
況調整頂蓋整形的角度，也就是鐳
過浮動工裝再次定位頂蓋Z向形面，保證
（4）焊接完畢後，焊接機器人複位，同時
鐳射房設置有兩個安全門，供人員及設
射焊接面的面角度，保證側圍和頂蓋
焊縫位置和間隙。在鐳射焊接工位頂蓋與
搬運機器人過來抓取焊接夾具，氣
備出入。安全門的軟硬體設計按照《AUT-
能在一個理想的間隙和角度下進行焊接。
車身已經存在物理定位關係，頂蓋受物理
動夾緊器抓緊焊接夾具後，定位支
STD-997》標準完成，可對安全門的狀態進行
定位（重力、貼合支撐及預成形焊點）影
撐架上的旋轉氣缸打開，搬運機器
即時監控，安全門未正常關閉時，鐳射源無法
響已經變形扭曲，需要頂蓋成形工裝再次
人負載其返回至待命位置，同時鐳
出光；安全條件不滿足時，安全門無法打開。
定位，保證頂蓋與車身焊縫位置和間隙，
射房兩側滑動門開啟；
整個鐳射焊接區域設置有5個緊急停止按鈕，分
鐳射焊接工業化系統開發 我們研究的課題是採用光纖雷射器配以相 應的導光系統、機器人、工裝夾具、車身輸送 線及控制系統等進行鐳射焊接技術開發，對轎 車大型車身件（頂蓋與側圍）進行鐳射焊接， 研究實用化的鐳射焊接關鍵技術、工藝、品質 檢驗與控制措施，並將各加工製造系統有機集 成，實現線上生產，滿足生產能力要求。 作為汽車生產線還需要攻克系統穩定性技 術難關，工業產品要求以穩定性和可靠性為第 一要素，因此需要對成套裝備及加工工藝進行 技術優化和完善，以提高系統的穩定性、抗干 擾特性，以滿足工業加工每週7天、每天生產24 h的工作需求。 1. 焊裝夾具 焊裝夾具是生產時的一種輔助手段，它 是將工件迅速準確地定位並固定於所定位置， 包括引導焊槍或工件的導向裝置在內的用於裝 配和焊接的工藝裝備的總稱。焊接夾具是進行 金屬結構焊接不可缺少的輔助器具，是焊接工 藝的重要組成部分，它在焊接過程中主要起維 持、保證焊接產品形狀及尺寸符合產品圖紙要 求，方便焊工操作，提高工效的作用。車身焊 裝夾具體積龐大，結構複雜，為了便於製造、 裝配、檢測和維修，必須對夾具結構進行分 解，否則無法進行測量。車身總裝夾具有3個裝 配基準：底板、左側圍和右側圍，在他們的平 面上都加工有基準槽和座標線，定位夾緊組合 單元按各自的基準槽進行裝配、檢測，最後將3 大部分組合起來，成為一套完整的夾具。 （1）頂蓋夾具設計 頂蓋屬於柔軟易變形零件，成形工位的定 位工裝脫離後頂蓋Z向會變形拱起，造成 焊縫位置偏移和間隙變大。在焊接工位通
同時降低焊接應力減少焊後變形。 （2）龍門架及地板夾具設計 地板夾具採用4點支撐，利用車身自身的 重量將車身牢牢支撐在地板夾具上，保證
（5）升降機升起，帶動滾床和雪橇上升，
別置於安全門旁、鐳射放內部、機器人控制器
上升到位後，滾床夾緊器鬆開雪橇，
上和鐳射櫃上。這些緊急停止按鈕可以在緊急
雪橇托住車身離開鐳射焊工位。
狀態下停止工位設備的運行。此外，通過檢測
3. 鐳射安全防護系統
機器人的位置開關，控制鐳射源在機器人運行
Z軸的定位準確。再用一個圓柱銷和一個
本項目使用的4 kW雷射器處於安全等級4
至焊接區域時才出光；無論有沒有焊接完成信
棱形銷，兩點定位，保證X、Y軸的方向
的危險光源，出光後會引發火源，同時其反射
號，鐳射源在出光超過安全時間後，都將切斷
精度，以便於焊接線路的準確性。
光也會對人造成危害，所以鐳射釬釺 焊 應用必須
光源。鐳射防護房採用特製的鋁合金型材，起
位於車尾處的龍門架則用於放置送絲機、
在封閉的環境中，並考慮足夠的安全條件，獨
到了保護工作人員不被鐳射傷害的作用。
焊絲預熱系統及其冷卻系統。兩側的龍門
立鐳射焊接間的設計是必要的。
架內側設計有4個定位壓塊，用於工裝夾
雷射器產生的鐳射除了用於鐳射焊接外，
具的定位，使夾具放置在車身上實現穩定
我們希望所有的反射和散射的鐳射都可以被封
定位。
閉在鐳射焊接間內部。為此，我們在設計鐳射
2. 生產工藝流程
焊接間必須考慮，牆壁材質具有很好的反光效
全自動化焊接系統工作流程如下：
應或吸光效應，同時在焊接間的出光條件控制
（1）雪橇載著車身總成進入鐳射焊工位，
必須滿足足夠的安全條件。一般來說，鐳射焊
滾床上的夾緊器固定雪橇，升降機
接間選用鋁制或者帶塗層的鋼制，而以鋁材質
帶動滾床和雪橇下降，使車身落在
具有很好的反光特性為優。
底部夾具上，車身總成通過底部工
本工位使用的IPG光纖雷射器所產生的波
裝夾具上的一個圓形定位銷和一個
長為1 070 nm，圖1為光纖雷射器光的分類，屬
棱形定位銷以及基準面完成定位，
於不可見的一種紅外鐳射。由於它無法察覺，
同時鐳射房兩側滑動門關閉；
這道光線對眼睛和皮膚非常危險。我們通過硬
（2）焊接工裝夾具通過安裝在搬運機器人
體及軟體上的一些專門設置，來保證人員及設
凸緣盤的氣動夾緊器裝載在機器人 上，搬運機器人將其運送到位後， 夾具上的4個V型塊與定位支撐架上 的定位V型塊配合，形成定位，然後 定位支承架上的旋轉氣缸翻轉將夾 具夾緊，機器人凸緣盤的氣動夾緊 器通過氣缸驅動鬆開頂蓋夾具，搬 運機器人空載離開返回待命位置； （3）焊接機器人持鐳射焊接頭先後進行車 身右側圍、左側圍與頂蓋的鐳射釺 釬
備的安全。
圖2
鐳射防護房設置
工藝研究 工藝規範的設計與控制是關鍵，也是技 術難點。為得到完整、外形美觀且高質量的 焊縫，使用三段不同的工藝參數分別進行起 弧段（見圖3）、中間段和收弧段（見圖4） 的焊接。 起弧段長度根據頂蓋的形面結構決定，起 弧工藝的關鍵是控制送絲、出光和機器人運動 之間的相對時間。 中間段使用單獨的一套工藝參數進行焊 接。在焊接過程中，設置一定大小的力，使其
焊；
10 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 11
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
修正實際焊縫相對於軌跡點的Y向 偏差。當偏差過大，SA軸偏出了設定 的SA_range範圍時，立即停止工藝和機 器人運動。
結語 鐳射焊接可以實現兩塊鋼板之間的冶金 結合，減少搭接寬度，壓縮車身結構件本身的 體積，減少車身重量，把傳統點焊變成連續焊
收弧段使用SA hold功能，旋軸處於hold保 持狀態進行焊接，以避免結束點焊料偏向側圍。 結束焊接工藝時，給定一定的延時關閉鐳射。
接，提升車身強度30%，降低了熱變形，極大 地提高了車身結合精度。 鐳射焊接不僅大幅度地提升產品品質，而 且更容易實現車身焊接的自動化和智能化，提高 生產效率。研發轎車車身鐳射焊接自動化工裝設
引爆焊接品質的決勝點 – 在雷射切割之後
備是滿足國民日益膨脹汽車需求的保證，同時也 是國內汽車製造公司擠進國際市場的前提。
德國力格曼Siegmund焊接工作桌及夾具系統
隨著先進製造技術的發展，實現焊接產品 製造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨 勢。汽車車身主要靠焊接進行連接，車輛產品 的技術含量在一定程度上代表著一個國家的工
圖3
起弧段
業化水準。從國際上看，知名汽車公司都爭先
畫面拉到德國Grossaitingen的奧格斯堡
加上滲氮表面處理（plasmanitrided），除了增
恐後地在車身製造中應用鐳射焊接技術，以保
區Augsburg， 時間是九月，西元2012年。力
加防鏽功能更提高了表面硬度，更免除了清除
證產品品質和產品技術先進性，在日益激烈的
格曼公司為了證明所生產的焊接工作桌的可靠
焊接飛濺物（spatter）和防鏽等額外的工作。
產品競爭中立於不敗之地。這種趨勢在國內的
度，特別展開了一連串包括衝擊、爆破、防
合資企業中已得到體現。在國內開展鐳射焊接
鏽…等極限測試。
相關研究工作，掌握關鍵技術、工藝，形成自
除了強悍的結構，多變性的應用和靈 活的解決方案更是重點。
主研發、創新、生產能力，是大勢所趨，也是
模組化系統的設計允許超過5000種以上的
國產品牌走向國際市場的基礎。
變化，而且可以在極短的時間內能夠實現。這 樣的設計，讓力格曼焊接工作桌獲得2012德國 紅點（Red Dot）設計獎。以及2013德國IF設計 大獎，都是最高的肯定和設計品質表現。
圖4
收弧段
在自動化焊接中，為保證焊接起始點的 品質，必須使每次焊接之前的焊絲幹伸出長度 和焊絲截面一致，而收弧時焊絲熔斷截面不穩 定，因此設計了一套燒斷焊絲的工藝。在每焊 完一邊焊縫之後，送絲機再次定位一定的長 度，機器人回到某一點，執行斷絲程式，給定 高功率、短時間的鐳射來熔斷焊絲，以獲得良 好形狀的焊絲端面與穩定的焊絲幹伸出長度。
12 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
為什麼要這樣做？ 因為力格曼的焊接工作桌的超強結構經常 被使用在高承重的工作狀態，像是橋樑、火車 頭建構…等大型工件的施作上。 除此之外，更
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 13
工具，配件及服務 依照您的需求，力格曼提供多種成 熟的且方便使用的工具和配件，各式各樣的複 雜和困難的個性化解決方案和夾持範例也都在 官方網站：www.siegmund - group.com可以看 到。 此外，客戶更可以單獨配置所需，例如結 合成大平台，其中一個特殊的訂單就是為遊樂 園的製造商架構一個120平方米的工作平台。
公司簡介： 力格曼集團是一家全球運營的公司，主要 生產焊接工作桌和夾具系統，還有機械和機械 零件。30年前, 公司現任總裁CEO貝恩德力格 曼先生Mr. Bernd Siegmund，發展用於建築、 運輸系統、環境工程和汽車工業的機械和焊接 工作桌。如今，Siegmund已經打響品牌，行銷 世界38個國家，產品也已經廣泛應用於各個工 業部門，成為精密焊接工作桌工業市場世界級 的領導者。
我們在瞭解雷射的切割技術之前，首先需要熟悉一些與雷射加工密切相 關的專業術語以及一些基本加工現象。例如金屬因吸收雷射光而熔化，鐵因
總公司-貝恩德• 力 格曼有限公司（Bernd
氧氣的助燃而燃燒，熔化的金屬因輔助氣體的噴射而被從切縫中排出等等，
Siegmund GmbH），在德國Grossaitingen郡
這些都是最為基礎的雷射加工現象。
的奧格斯堡（Augsburg）。另外在巴登-符騰堡 （Baden-Wuerttemberg）有兩個生產廠，在波 蘭還有另外兩個生產廠。員工共約200位。
文／金岡 優 翻譯／新武機械貿易（股）公司
更詳細的訊息在公司官方網站：www.
作者簡介
siegmund - group.com
金岡 優（Kanaoka Masaru） 1958年‧出生於北海道 1983年‧北海道大學研究所碩士畢業（專攻機械工學） 1983年‧就職於三菱電機（株）名古屋製作所 1984年‧任三菱電機名古屋製作所雷射製造部（加工技術課） 1993年‧學位（工學博士）
▲
1997年‧任三菱電機名古屋製作所雷射系統部（加工技術課長）
力格曼在2013德國 埃森ESSEN焊接展 的展場
2001年‧任三菱電機名古屋製作所雷射系統部（品質保証課長） 2003年‧任三菱電機名古屋製作所雷射系統部（GOS Group經理） 2005年‧開始兼任名古屋大學特聘講師至今 2012年‧擔任三菱電機機械產業事業部 主管技師長
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TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 15
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
圈一直反復，就會形成拖曳線。 當Va的速度提高到與 Ra基本相同的程度 時，雷射光束將會始終處於與A點相接觸的狀 態，向切縫寬度方向擴展的A點和C點之間的距
1.5 拖曳線是如何形成的
離會變小，拖曳線的間隔也會相應變小。 （2）第二條割痕範圍的拖曳線
【現象與原理】
如圖1.5②① 2 所示，在板厚方向上設定A點和
（1）第一條割痕範圍的拖曳線 圖1.5① 1 所示為雷射光束與加工進展的概略 圖。設切縫前沿A點處的雷射光束行進速度為 Va、氧化反應速度為Ra。板厚越大，切割速度 就越慢，切割速度Va將小於氧化反應速度Ra。 當雷射光束接觸到A點後， 氧化反應速度Ra會
B點。A點處時，氧氣純度或輔助氣體的動量都 還保持得很高，Va＝Ra成立，此時可以得到非 常光滑且 筆直的拖曳線。而B點處時，氧氣純 度或輔助氣體的動量都有所下降，Vb>Rb，因 而會出現切割前沿的滯後現象。 用氧氣切割時，隨著板厚的增加，散失
大於Va，燃燒的進展將先於雷射光束的行進。 而後，溫度逐漸降低， 燃燒將停止在A2點處。 當雷射光束以Va到達該停止位置後，氧化反應
到母材內的熱量會隨之增多，熔融金屬的溫度 也會隨之而降低，熔融金屬表面的張力、凝固 層的厚度都會變大，最終導致切割面粗糙度變
速度Ra的燃燒將會繼續，這一迴圈如是反復。 另外，在切縫的寬度方向上，也是以氧化 反應速度Ra從A點向C點燃燒，到達C點後， 溫度降低氧化反應停止。當雷射光束到達A2點 後，又將沿切縫寬度方向燃燒到C2點，這一迴
差。而用氮氣或空氣切割金屬時，也會出現 同樣的現象，切割面會隨著板厚的增加而變粗 糙，但是由於用氮氣或空氣切割時沒有氧化燃 燒反應作用，粗糙度不會差到用氧氣切割厚板 時的程度。
反應部分
再凝固金屬
1.7 什麼是穿孔
的方法。雖然採取這種方法會產生大量的熔融 金屬，並會噴濺到加工材料的表面，但在加工
【現象與原理】 穿孔時，穿孔過程中所產生的熔融金屬將 會噴出到加工材料的表面並堆積在孔的周圍直
時間上卻可以得到大幅度的削減。 （3）穿孔能力的提高 穿孔洞的內壁也吸收雷射光束。圖1.7② 2 所
到穿透為止。穿孔條件如圖1.7 1 ①所示，可以設 為（1）脈衝條件或（2）CW條件。
示為在穿孔過後向孔洞內照射雷射光束，並對 此時穿過孔洞到達底部的雷射光束進行能量測
（1）脈衝條件 在雷射光束照射之後，就將開始加工材料 表面被加熱的（a）過程到加熱漸漸深入並起到 穿孔作用的（b）～（d）的過程，直到最後的 穿透過程（e）的不間斷的迴圈。用此方法對板 厚在9mm以上的材料進行穿孔時，雖然穿孔時 間會急劇增加，但卻可以得到孔徑在0.4mm以 下、比切縫寬度小、對周圍熱影響少的加工品 質。需要注意的是，為了縮短穿孔時間而把加 工條件設定為輸出功率驟然變化的作法，將會 造成大量的熔融金屬不能從很小的孔徑的上部
量而得到的結果 3）。方法是，分別對各種板厚 進行穿孔，然後在各孔的下方設置上能量檢測 器，再向孔洞照射雷射光束。板材越薄，則透 過孔洞的雷射功率就越大，板材越厚，則透過 的雷射功率就越小。結果就如圖1.7 1 ① 所 示， 雷射光束在孔洞的內壁被從上向下進行多重反 射，邊被吸收邊被傳輸。要縮短穿孔時間，就 需要對被孔內壁所吸收的功率進行相應的補 償，也就是說需要隨著穿孔的進展相應把功率 加大。 另外，要減少熱影響，也需要加大輸出功
全部排出，導致過燒。
率。輸出功率越大，加工就越可以在短時間內
（2）CW條件 CW條件時採用的是將焦點位置設在稍高
完成，可縮短雷射光束被內壁吸收的時間。
於加工材料表面、加大穿孔的孔徑來迅速加熱
再凝固金屬
熱影響區
(2)切割速度與反應速度
(1)用脈衝條件進行的穿孔
圖1.5①1 切割
焦點位置 h1
焦點位置 h3 焦點位置 h2
熱影響區 氧氣噴流
拖曳線
(2)用 cw 條件進行的穿孔
圖1.7①1 穿孔的原理 圖1.5②2 拖曳線的形成 16 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 17
臺灣雷射 Vol.10 Taiwan Laser
噴嘴 材質
從被加工物背面測量到的功率〔W〕
雷射照射條件
背面貼膜
照射雷射 噴嘴 測量時間 20 秒
能量探頭 孔被穿透後也有約 90%被孔壁吸收 加工條件
圖1.14①1 鋁合金切割中 的加工氣體壓力與毛刺
圖1.7②2 穿過孔洞之後的雷射功率
高度的關係
1.14 氮氣或空氣輔助氣流與切割的 關係 【現象】 用氮氣或空氣進行切割時，輔助氣體的作 用就是把因雷射光束照射而熔化的金屬從切縫 的上部推向下部，進而從加工部的背面排出， 防止在背面掛渣。
要的噴嘴直徑就會越大。但是，隨著直徑的加 大，輔助氣體的消耗量也會增加，選擇時需要
加工氣體壓力 〔
圍內選擇最小的噴嘴直徑。 要使輔助氣體的壓力能從切縫的上部保 持到下部，還需要對切縫形狀進行優化。切縫 的形狀決定於照射到加工材料的光束特性。圖 1.14② 2 顯示了在5mm厚鋁合金（A5052）的切
專題連載 ‧ 目次預告 投稿時期
鋁合金（A5052）材料以空氣作為輔助氣體
大。在該實驗中，焦點位置設在差不多是板厚
進行切割時，輔助氣體壓力（P）與最大毛刺
底部的位置上時得到了良好的加工品質。需要
1.1 1.2 第 1 回 2013 年秋 加工現象的基礎（上） 1.3 1.4 1.5 第 2 回 2014 年春 加工現象的基礎（下） 1.7 1.14 3.5
高度（h）的關係。任何板厚都顯示為輔助氣
注意的是，焦點位置的最優值將會根據光束的
第 3 回 2014 年秋 軟鋼材料的切割（上） 3.6
體的壓力越高毛刺的高度越小。
聚光特性而有所差異。
3.11 3.12 第 4 回 2015 年春 軟鋼材料的切割（下） 3.13 3.17 4.2 第 5 回 2015 年秋 不鏽鋼材料的切斷（上） 4.3 4.4
要想充分發揮輔助氣體的噴射作用，就 需要切縫內能保持足夠的輔助氣體壓力。圖 1.14 1 所示為分別對板厚為3、4、5、6mm的
【原理】 我們將從噴嘴噴出後的輔助氣體壓力能保 持在與噴嘴內壓力同等程度的範圍稱之為潛在 核。潛在核的特性直接影響上述掛渣情況。潛 在核從噴嘴的前端起，其可以保持的距離與噴 嘴的直徑成正比，噴嘴直徑越大，潛在核可維 持的距離就會越長。不難想像，板材越厚所需
18 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
〕
根據加工材料的厚度，在板厚的毛刺容許量範
割中，當焦點位置在板厚的內部進行變化時， 切縫形狀及切割面形貌也隨之變化的狀況 1）。 負調整量越大，上部切縫就越寬，坡度也就越
4.5 第 6 回 2016 年春 不鏽鋼材料的切斷（下） 4.7 4.8
投稿提案候補 影響雷射加工性能的要素 氧化反應的燃燒作用 氧化反應熱傳導及切割速度的關係 溶融金屬的舉動 拖延線是如何形成的 何謂穿孔 氮氣或空氣的輔助氣流與切割的關係 t16mm 產生過燒現象的原因探討：被加工物側造成 的原因 t16mm 產生過燒現象的原因探討：加工機側造成的 原因 切割軟鋼厚板時，如何選擇適合的噴嘴 厚板切割時，如何防止結束部分的破孔現象 生鏽材料較難切割的原因及對策 提高厚板的切割面品質的加工方法 因不鏽鋼產生毛邊造成的問題的對策 針對厚板穿孔後的起割線部位不良的對策 減少薄板的空氣及氮氣切時邊緣部份產生的溶渣的 方法 針對不鏽鋼厚板的氮氣切割時產生的溶渣的對策 針對不鏽鋼無氧化切割時，確認適合焦點位置的方法 電漿面切割的加工方法
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Z
焦點位置
切縫
切割面
-0
-1
-2
-3
-4
-5
材質 板厚 輸出功率 速度 輔助氣體
: : : : :
鋁合金（A5052） 5mm 2kW 0.8m／min 空氣 0.8MPa
/ 2mm
圖1.14② 2 鋁合金切割中的焦點位置變化與切割品質的關係
20 ｜臺灣雷射 LASER ｜第十期
TAIWAN LASER ｜ Vol. 10 ｜ 21