在汽車(chē)工業(yè)，激光焊接作為一項(xiàng)制造工藝，可以滿足可重復(fù)性的高要求，實(shí)現(xiàn)很小的熱影響區(qū)域以及對(duì)焊縫特殊的美學(xué)要求。除了已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域確立其地位的Nd: YAG激光器外，
二極管激光器的使用也日益普遍。
這一點(diǎn)主要是因?yàn)樵谄?chē)工業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用中，現(xiàn)代化的二極管激光器與硬釬焊、熱傳導(dǎo)焊接相比，所具有的經(jīng)濟(jì)利益，以及高光束質(zhì)量和高可靠性特點(diǎn)。
原理比較
與具有相同輸出功率的Nd:YAG激光器相比，二極管激光器只需要五分之一的空間。看上去可能覺(jué)得這不是很重要的區(qū)別。然而，這會(huì)帶來(lái)完全不同的設(shè)計(jì)原理，特別是對(duì)多站運(yùn)作來(lái)說(shuō)，由于二極管激光器是裝在滑輪上的，具有可移動(dòng)性，因此可以在任何需要的地方使用。
一般來(lái)說(shuō)， Nd:YAG激光器被置于激光器區(qū)域的中央，從那里它們可以借助于長(zhǎng)激光光纜(有時(shí)長(zhǎng)度>50m)和復(fù)雜的切換系統(tǒng)來(lái)被各個(gè)加工站使用。這就需要冗余的激光器和長(zhǎng)的激光光纜，它們被連于控制系統(tǒng)，從而保證如果一個(gè)組件發(fā)生故障，仍有激光被提供來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)激光使用的安全性也始終得到保證。從激光器組合到各個(gè)加工站都放置了裝有大量光纖的管道，每次備用激光器代替主激光器時(shí)，就需要在加工端口切斷光纖的連接。
然而，在加工車(chē)間里，粉塵的污染經(jīng)常是格外嚴(yán)重，這就提高了對(duì)光纖端口污染的可能。這就可能阻礙光纖再次被連接后的正常工作。長(zhǎng)的激光光纖的購(gòu)買(mǎi)和安置，包括初始的花費(fèi)和每次更換的花費(fèi)，都是相當(dāng)大的。加工站可能的距離/數(shù)目的最大值受到可用光纖長(zhǎng)度的最大值的限制。
加工過(guò)程利用這個(gè)原理來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)常不得不修改加工過(guò)程從而得到從激光器到加工站的最短可能距離。通常必須將Nd:YAG激光器置于在加工站上面的平臺(tái)上以節(jié)省空間同時(shí)減小光纖長(zhǎng)度。這再次帶來(lái)了在初始設(shè)計(jì)的投資和后來(lái)維護(hù)的花費(fèi)中的高支出。
此外，隨后不論是增加激光器或者是增加加工站都將成為問(wèn)題。如果在同一棟樓的其他地方需要用到激光器，就不得不建更多類似的組合，而每個(gè)組合都需要有自己備用的激光器系統(tǒng)。
相反的，
二極管激光器的集成性使得一種完全不同、更為簡(jiǎn)便的方法成為可能，這是基于使用裝了滑輪的獨(dú)立可移動(dòng)激光器。也就是說(shuō)，如果其他地方需要，通過(guò)簡(jiǎn)單的斷開(kāi)連接在激光器端部的光纖(這與斷開(kāi)在加工車(chē)間連接的光纖形成對(duì)比)，二極管激光器可以在短時(shí)間內(nèi)被移動(dòng)來(lái)替換另一臺(tái)激光器。這種設(shè)計(jì)原理使用了更短的也就是說(shuō)相對(duì)便宜的激光光纜(典型長(zhǎng)度是10-15m)，而且不需要重復(fù)排布光纖。此外，在多加工站中使用的光束切換組件不那么復(fù)雜也更為可靠，以至于用來(lái)監(jiān)視所有激光器和光纖的高級(jí)別控制系統(tǒng)也不再需要了。
每臺(tái)激光器在空間上可以被分開(kāi)和靈活使用，如果有一臺(tái)激光器壞了，作為一臺(tái)獨(dú)立可移動(dòng)的激光器系統(tǒng)就足夠來(lái)補(bǔ)償，即使生產(chǎn)設(shè)備擴(kuò)展到幾棟樓里，或者在同一棟樓里的不同地方也沒(méi)有問(wèn)題。此外，工作站的數(shù)目和工作站的距離都不再和前一種情況一樣會(huì)受到光纖長(zhǎng)度最大值的限制。進(jìn)行了生產(chǎn)優(yōu)化的加工過(guò)程也不需因?yàn)榧す馄鞯目臻g冗余而作其他修改。
考慮到二極管激光器在投資和運(yùn)作花費(fèi)具有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可以投資一臺(tái)額外的光源來(lái)進(jìn)行多站運(yùn)作，從而完全不需使用光束切換開(kāi)關(guān)。這里，對(duì)所有加工站來(lái)說(shuō)有一臺(tái)備用激光器就夠了。現(xiàn)在，每個(gè)加工站可以各自獨(dú)立的運(yùn)作，且得到100%的光束輻照時(shí)間，不再通過(guò)光束切換組件來(lái)與其他激光器相連接(如圖)。
在多站運(yùn)作中，二極管激光器的設(shè)計(jì)原理。有四臺(tái)激光器和一臺(tái)備用激光器。
四個(gè)工作站，每個(gè)有100%的光束輻照時(shí)間。
下圖給出了3種設(shè)計(jì)中投資費(fèi)用的總結(jié)。它們同樣可以被應(yīng)用于有六個(gè)或更多加工車(chē)間的多站運(yùn)作中。另一個(gè)圖給出了費(fèi)用的對(duì)比。需要注意的是，基于Nd:YAG激光器的系統(tǒng)，其復(fù)雜性可能很快導(dǎo)致其生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)性，所以必須避免使用這個(gè)方案。與此相比，使用二極管機(jī)關(guān)槍的設(shè)計(jì)不止在財(cái)政上有利，而且提供了更高程度的靈活性并且提供了擴(kuò)展的潛力。
具有四個(gè)加工站的多站運(yùn)作中，使用不
同設(shè)計(jì)原理的投資費(fèi)用對(duì)比
具有六個(gè)加工站的多站運(yùn)作中，不同的
設(shè)計(jì)原理的投資費(fèi)用對(duì)比。
目前，新一代的二極管激光器的壽命已超過(guò)20,000-30,000個(gè)激光器工作時(shí)，這大約等于三班制生產(chǎn)下的五到七年時(shí)間。與此相比，燈泵浦的Nd:YAG激光器，每1000小時(shí)或更少的時(shí)間就需要換更換泵浦燈，相應(yīng)的就帶來(lái)了生產(chǎn)的停工期和高的運(yùn)作費(fèi)用。
堆棧管理，通常被用于利用現(xiàn)代光纖耦合二極管激光器來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中，它使得二極管激光器即使在棧中一臺(tái)二極管激光器意外故障的情況下也能持續(xù)工作。故障的元件可以在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃的服務(wù)期間中被更換。考慮到它們的使用壽命長(zhǎng)，使用二極管激光器來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的正常運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于99.5%，也就是說(shuō)通常不需要更換系統(tǒng)。
用于千瓦級(jí)二極管激光器的光纖不僅比Nd:YAG激光器中使用的光纖要短，而且通常有更大的直徑(在同樣的應(yīng)用它約為1到1.5mm，而Nd:YAG激光器的是600 μm)。這就降低了光纖端口的熱應(yīng)力，因?yàn)楝F(xiàn)在同樣的能量分布到一個(gè)大小為三到六倍的區(qū)域里了。這樣，光纖對(duì)污染的敏感性減低，同時(shí)使用壽命得到提高。
在投資對(duì)比中，二極管激光器有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，與Nd:YAG激光器相比約為30%。此外，與傳統(tǒng)的激光器相比，直接二極管激光器可以節(jié)省50%的成本。
即使Nd:YAG激光器已經(jīng)投入使用而且費(fèi)用都已付清，投資全新的二極管激光器技術(shù)可能在經(jīng)濟(jì)效益上更為可行。這是由于使用燈泵浦Nd:YAG激光器所帶來(lái)的能源，泵浦燈，和生產(chǎn)停工期的費(fèi)用導(dǎo)致的。
成功的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用
兩種類型的激光均可以滿足鋅覆層的汽車(chē)金屬薄板的激光硬焊對(duì)激光光源的加工要求(如下表)。
總線接口，如Profibus DP、Interbus-S，24小時(shí)的用戶終端服務(wù)，和Nd:YAG激光器中使用的光學(xué)元件對(duì)二極管激光器來(lái)說(shuō)，早在許多年前就是可用的了。基于這些理由，目前有越來(lái)越多的用戶選擇使用二極管激光器，特別是與多站運(yùn)作相結(jié)合使用。目前，在世界范圍內(nèi)已有數(shù)家汽車(chē)制造商使用二極管激光器進(jìn)行硬釬焊。
使用二極管激光器來(lái)進(jìn)行硬釬焊除了有經(jīng)濟(jì)利益上的優(yōu)勢(shì)以外，還能實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面上的加工改善：對(duì)硬釬焊焊縫的直接對(duì)比表明，使用二極管激光器能得到平靜的焊接熔池以及穩(wěn)定的硬釬焊過(guò)程，這是由于其時(shí)空穩(wěn)定性更高并且光束分布均勻，光束有一個(gè)大致為平頂?shù)膹?qiáng)度分布。這樣得到的結(jié)果是焊縫處表面更為平滑。
集成化可移動(dòng)激光器系統(tǒng)在多站運(yùn)作式生產(chǎn)中顯示的優(yōu)勢(shì)并不局限于汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用。二極管激光器已經(jīng)能夠勝任許多其他方面的應(yīng)用。多年來(lái)，它們被成功的用于激光的塑料焊接，金屬的熱傳導(dǎo)焊接以及淬火和鍍層/覆層等應(yīng)用。與追求得到可能的最佳光束質(zhì)量相比，客戶們更多的是關(guān)注二極管激光器的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，然后選擇足夠勝任工作任務(wù)的光束質(zhì)量。
Andre Eltze 是Laserline GmbH的歐洲地區(qū)技術(shù)銷(xiāo)售經(jīng)理。
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