在汽車工業(yè)，激光焊接作為一項制造工藝，可以滿足可重復性的高要求，實現(xiàn)很小的熱影響區(qū)域以及對焊縫特殊的美學要求。除了已經(jīng)在這個領(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。 這一點主要是因為在汽車工業(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、熱傳導焊接相比，所具有的經(jīng)濟利益，以及高光束質(zhì)量和高可靠性特點。 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。看上去可能覺得這不是很重要的區(qū)別。然而，這會帶來完全不同的設(shè)計原理，特別是對多站運作來說，由于二極管激光器是裝在滑輪上的，具有可移動性，因此可以在任何需要的地方使用。 一般來說， 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激光光纜(有時長度>50m)和復雜的切換系統(tǒng)來被各個加工站使用。這就需要冗余的激光器和長的激光光纜，它們被連于控制系統(tǒng)，從而保證如果一個組件發(fā)生故障，仍有激光被提供來實現(xiàn)各項任務(wù)，同時激光使用的安全性也始終得到保證。從激光器組合到各個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，就需要在加工端口切斷光纖的連接。 然而，在加工車間里，粉塵的污染經(jīng)常是格外嚴重，這就提高了對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。長的激光光纖的購買和安置，包括初始的花費和每次更換的花費，都是相當大的。加工站可能的距離/數(shù)目的最大值受到可用光纖長度的最大值的限制。 加工過程利用這個原理來進行優(yōu)化，經(jīng)常不得不修改加工過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上以節(jié)省空間同時減小光纖長度。這再次帶來了在初始設(shè)計的投資和后來維護的花費中的高支出。 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、更為簡便的方法成為可能，這是基于使用裝了滑輪的獨立可移動激光器。也就是說，如果其他地方需要，通過簡單的斷開連接在激光器端部的光纖(這與斷開在加工車間連接的光纖形成對比)，二極管激光器可以在短時間內(nèi)被移動來替換另一臺激光器。這種設(shè)計原理使用了更短的也就是說相對便宜的激光光纜(典型長度是10-15m)，而且不需要重復排布光纖。此外，在多加工站中使用的光束切換組件不那么復雜也更為可靠，以至于用來監(jiān)視所有激光器和光纖的高級別控制系統(tǒng)也不再需要了。 每臺激光器在空間上可以被分開和靈活使用，如果有一臺激光器壞了，作為一臺獨立可移動的激光器系統(tǒng)就足夠來補償，即使生產(chǎn)設(shè)備擴展到幾棟樓里，或者在同一棟樓里的不同地方也沒有問題。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受到光纖長度最大值的限制。進行了生產(chǎn)優(yōu)化的加工過程也不需因為激光器的空間冗余而作其他修改。 考慮到二極管激光器在投資和運作花費具有的經(jīng)濟優(yōu)勢，可以投資一臺額外的光源來進行多站運作，從而完全不需使用光束切換開關(guān)。這里，對所有加工站來說有一臺備用激光器就夠了。現(xiàn)在，每個加工站可以各自獨立的運作，且得到100%的光束輻照時間，不再通過光束切換組件來與其他激光器相連接(如圖)。 在多站運作中，二極管激光器的設(shè)計原理。有四臺激光器和一臺備用激光器。 四個工作站，每個有100%的光束輻照時間。下圖給出了3種設(shè)計中投資費用的總結(jié)。它們同樣可以被應(yīng)用于有六個或更多加工車間的多站運作中。另一個圖給出了費用的對比。需要注意的是，基于Nd:YAG激光器的系統(tǒng)，其復雜性可能很快導致其生產(chǎn)風險性，所以必須避免使用這個方案。與此相比，使用二極管機關(guān)槍的設(shè)計不止在財政上有利，而且提供了更高程度的靈活性并且提供了擴展的潛力。 具有四個加工站的多站運作中，使用不 同設(shè)計原理的投資費用對比 具有六個加工站的多站運作中，不同的 設(shè)計原理的投資費用對比。目前，新一代的二極管激光器的壽命已超過20,000-30,000個激光器工作時，這大約等于三班制生產(chǎn)下的五到七年時間。與此相比，燈泵浦的Nd:YAG激光器，每1000小時或更少的時間就需要換更換泵浦燈，相應(yīng)的就帶來了生產(chǎn)的停工期和高的運作費用。 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進行生產(chǎn)的過程中，它使得二極管激光器即使在棧中一臺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準計劃的服務(wù)期間中被更換。考慮到它們的使用壽命長，使用二極管激光器來進行生產(chǎn)的正常運行時間遠遠高于99.5%，也就是說通常不需要更換系統(tǒng)。 用于千瓦級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，因為現(xiàn)在同樣的能量分布到一個大小為三到六倍的區(qū)域里了。這樣，光纖對污染的敏感性減低，同時使用壽命得到提高。 在投資對比中，二極管激光器有明顯的成本優(yōu)勢，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)濟效益上更為可行。這是由于使用燈泵浦Nd:YAG激光器所帶來的能源，泵浦燈，和生產(chǎn)停工期的費用導致的。 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金屬薄板的激光硬焊對激光光源的加工要求(如下表)。總線接口，如Profibus DP、Interbus-S，24小時的用戶終端服務(wù)，和Nd:YAG激光器中使用的光學元件對二極管激光器來說，早在許多年前就是可用的了。基于這些理由，目前有越來越多的用戶選擇使用二極管激光器，特別是與多站運作相結(jié)合使用。目前，在世界范圍內(nèi)已有數(shù)家汽車制造商使用二極管激光器進行硬釬焊。使用二極管激光器來進行硬釬焊除了有經(jīng)濟利益上的優(yōu)勢以外，還能實現(xiàn)技術(shù)層面上的加工改善：對硬釬焊焊縫的直接對比表明，使用二極管激光器能得到平靜的焊接熔池以及穩(wěn)定的硬釬焊過程，這是由于其時空穩(wěn)定性更高并且光束分布均勻，光束有一個大致為平頂?shù)膹姸确植肌＿@樣得到的結(jié)果是焊縫處表面更為平滑。 集成化可移動激光器系統(tǒng)在多站運作式生產(chǎn)中顯示的優(yōu)勢并不局限于汽車工業(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，它們被成功的用于激光的塑料焊接，金屬的熱傳導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)濟效益和技術(shù)優(yōu)勢，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)銷售經(jīng)理。 聯(lián)系方式：andre.eltze@laserline.de或訪問www.laserline.de.