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二极管激光器应用于拼焊板焊接

荣格 中字

通常来说,所有类型的激光器都适合于拼焊板焊接。然而,这些激光器在焊接性能和能效等方面存在相当大的差异。全球最大的钢铁生产商安赛乐米塔(ArcelorMittal)的子公司ArcelorMittal Tailored Blanks已使用了德国Laserline(利泽莱恩)公司的二极管激光器来替代之前的CO2激光器。这类二极管激光器以其得到验证的可靠性和优异的焊接质量著称。此外,二极管激光器的经济效益也尤为突出。

只有为数不多的进入一辆成品车的人会了解到完成车身结构所需投入的巨大的技术努力。看到那些外形精美、极具吸引力的漆门和侧板,你可能不会猜到从原材料到半成品,再到最后的成品部件事实上是花费了相当大的心血。这或许就是它们原本应该呈现的样子,因为当背后潜藏的努力被隐匿起来时,便可能滋生出美学情趣。同时,客户期望汽车的车身部件能够提供最佳的保护性能,并且车子本身具有合理的价格。因此,汽车车身工程的目标便是以一种最理想的方式将迷人的外形、最大的稳定性和最高的效率等要素有机结合起来。

拼焊板:完整车身的前期工序

拼焊板是实现这一目标的关键 ——钢坯在单个加工步骤中被转化为实际的车身钢板。这些半成品由具有不同材料厚度和质量的金属板材焊接构成。当设计它们时,之后的部件特定的材料厚度和强度已得到了精确的界定。这提高了部件的刚度,并且允许在某些部件处精确地定位和转换吸收碰撞能量。同时,其他区域经过特别的加固处理以保护乘客,从而显著提高事故情况安全性。

冲压前后的激光拼焊板

同时,通过预切割坯料来优化钢材和铝材的消耗,从而降低了成本。然而,拼焊板最重要的优点是根据部件的局部要求选用具有不同厚度的特定的高强度钢或金属板件,从而实现减重目的。由于减重和降低材料消耗相辅相成,车辆的安全性和效能也一并获得改善。

当生产拼焊板时,不同金属板料的焊接主要使用激光对接焊缝,这能够实现最佳的功率传输和最理想的成形特性。为此,在这种工艺中需要使用二极管激光器、固态激光器或CO2激光器。然而,CO2激光器越来越被认为是不经济的方案,因为它们的效率很低,通常为百分之十。AMTB 也持同样的观点。该公司是为不断增长的热成型车身部件市场提供定制解决方案的领先制造商。因此, 这家全球最大的钢铁制造商ArcelorMittal的国际运营子公司决定使用新的激光光源来替代过去传统的CO2激光器。

二极管激光器:拼焊板焊接的理想选择

选取一款新的激光器类型则是更新发展的第一步。在固态激光器中,二极管泵浦碟片激光器和光纤激光器也得到了考虑:这两种激光器在焊接应用领域均已被认可,并且具有30%的效率。首先,光纤激光器是AMTB公司最钟意的选择,主要是基于他们初期的使用经验。但是,AMTB公司随后决定不采用已得到测试的光纤激光器,而是青睐于选用Laserline的光纤耦合二极管激光器。成立于1997年的Laserline总部位于德国Mülheim-K?rlich(靠近科布伦茨)市,该公司是全球工业二极管激光器的市场先驱,并且对这种技术的发展起到了决定性的影响。

与最初选择的光纤激光器相比,Laserline首先在他们内部的应用实验室开展了成功的试运行:携手AMTB公司针对不同原材料的焊接点进行测试并且得到了相应的工艺参数。在所有测试中均证明了二极管激光器的光束质量和工艺稳定性,因此在2011年12月,AMTB将其第一台CO2激光器替换为Laserline的LDF 5000-40光纤耦合二级管激光器(400μm光纤以及5kW激光功率)。当测试结果在生产过程中得到确认后,后续的设备安装也源源不断。同时,在AMTB公司位于欧洲、印度和澳大利亚的几个生产工厂内,Laserline的二极管激光器都得到了使用。

稳定的熔池 优良的可靠性

就焊接工艺而言,与其它类型的激光器相比,二极管激光器在许多方面都展现出优越性。比如,其中一个工艺优点是其熔池特别稳定:“尽管它们的工作距离适中,二极管激光器在金属板件或激光光学元件上产生的熔融金属飞溅物少很多,并且形成的焊缝更清洁、更平滑。此外,与聚焦到一个较小的点的激光器相比,二极管激光器可以跨越更大的间隙。”Laserline 公司的欧洲销售经理Dr. Andre Eltze 解释道。

二极管激光器所发出的激光特征明显,其中激光为平顶光束的分布、波长在930到1060nm之间,最多有四个波长耦合而形成。这些因素是二极管激光器在工艺优势以及焊接过程中稳定性的原因所在。此外,二极管激光光束能更容易被高效地吸收,因为其波长相较于光纤激光器或碟片激光器(典型波长在1030和1070nm之间)的波长来说更短。“然而,为了符合汽车车身领域的应用,激光器需要提供的不只是良好的焊接结果”,Laserline应用实验室的工程师Anne Kathrin Krause说道。“在恶劣的外部环境中稳定工作也是很重要的。”

使用二级管激光器焊接待使用的光学元件

在这种情况下,二极管激光器因其所具备的这种稳定性就备受青睐。通过将压缩空气导入激光器关键部件(防护等级IP 54),灰尘和飞溅的水因此无法侵入;而二极管激光器的功能即使在不利的环境条件下仍然可以保证。因此,不同于其它激光器需要被放置在一个密封的可调温度湿度的容器之中,此种方案会增加维护成本并增加维修难度,二极管激光器则完全不存在此类问题。

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