光纤激光器: 为何电动汽车焊接要讲究技巧,而不仅靠力量

成功完成极困难的汽车和电动汽车焊接任务要求精确控制向工件输送激光功率的方式

2021 年 10 月 26 日,作者:相干公司

Fiber Lasers: The Future of Automotive and E-Mobility Welding

在汽车生产中应用光纤激光器已经取得了巨大成功,它们已经被用于众多焊接和切割应用,包括白车身、悬挂部件、动力总成组件等等。这一点也不足为奇。 与大多数以前采用的技术(激光和非激光)相比,光纤激光器具有多项优势。

然而,汽车行业仍然是创新的重要源泉。虽然高功率光纤激光器在汽车生产中已经成功应用了一段时间,但为了支持电动汽车和轻量化,目前最复杂的焊接工艺需要的不仅仅是原始功率和蛮力。尽管实际上有很多不同的应用,但大多数应用通常涉及: 

  • 非常薄的材料或热敏材料
  • “难”以焊接的材料,如铝、铜和高强度钢
  • 异种材料接合

为了完成这些更具挑战性的任务,激光器必须具备两种主要功能。首先是具备足够的功率来支持必要的生产吞吐率。在处理较厚的部件时,还需要具备高功率才能实现足够的材料穿透力。其次是能够精确控制激光功率在工作表面上的分布方式 – 无论是在空间上还是时间上。

功率和精度

相干公司开发出了可调环模 (ARM) 光纤激光器,旨在提供功率和精度。为了实现这一目标,ARM 采用了双光束输出 – 它产生一个中心光斑,周围环绕着另一同心激光环。可以独立控制甚至调制中心光斑和环状光斑的功率。

 

Coherent HighLight FL-ARM 系列光纤激光器的总功率高达 10 kW。 这一功率量级对于以高效的产量来执行几乎所有更关键的焊接任务来说已经绰绰有余。 事实上,大多数最精致、要求最高的产品通常使用的量不到该功率量级的一半。 因此,相干公司 ARM 激光器能够在必要时将足够的激光功率精确地定向到所需的位置。

 

铜焊接就是其工作原理的一个示例。 一些制造商已经转向采用绿光激光器来焊接铜,因为与光纤激光器的红外输出相比,绿色激光更容易被铜吸收。 但这一过程只能在室温下完成。一旦铜得到加热,它就能很好地吸收红外光,而一旦有了匙孔,铜吸收红外光的能力也会变得更强。 然后,较低的吸收实际上成为了一个优势,因为它有利于提高激光的穿透力,从而更容易焊接更厚的基板。

 

因此,使用 ARM 激光器开始焊接铜时,首先只在环形光束中使用功率来加热材料,直至其熔化。接下来,高功率中心光束可产生匙孔。然而,在焊接过程中,一些功率会保持在环形光束中,因为这样可以稳定匙孔,从而可减少湍流和紊乱。 这样可减少飞溅,并提供更一致的效果。当光束到达焊缝末端时,环形光束功率完全关闭,核心功率平稳下降,以形成干净、均匀的端部。  

 

这一能力(根据材料定制加热廓线以最大限度提高匙孔稳定性和一致性,并在焊接末端提高和降低功率)可在焊接其他要求较高的材料(例如铝和镀锌钢)时提供类似的优势。 而且,它可以实现对薄材料、精密材料或热敏材料的高精度焊接。

 

Fiber Lasers: The Future of Automotive and E-Mobility Welding

过功率逻辑

一些类似于相干公司 ARM 的光纤激光器制造商指出,其产品允许 100% 的总功率转移到核心光束或环形光束,好像这是一个优势。但事实并非如此,因为 ARM 激光器的全部魔力在于,在核心光束和环形光束之间分配功率,从而将输入的热量以一种比单光束产生更好效果的方式传导至相应部件中,这一点就像前面所描述的铜焊接示例一样。否则,为什么不直接使用标准单光束(而且更便宜)的光纤激光器呢? 

他们还产生了一个担忧,即相干公司 ARM 架构不够“灵活”。要理解这一说法,您需要知道,ARM 激光器实际上是采用两个或更多个光纤激光器模块构建的,其中每个模块均耦合到核心光束和环形光束中,以提供各种最大功率比。(在运行过程中,每个模块的功率可以在该最大值的 0% 到 100% 之间平稳变化。) 

在制造系统时,需要设置馈入核心光纤和环形光纤的模块数量。因此,使用四个 2 kW 模块构建的 8 kW ARM 激光器可以配置三种不同的最大中心/环形功率比。 它们分别是 6 kW/2 kW、4 W/4 kW 或 2 kW/6 kW。 而且,这些总数随后无法更改,因此被认为“不灵活”。 

但是,用于任何特定客户激光器的配置均基于在购买激光器之前很久就进行的工艺试验。 这些情况确定了在生产中成功执行目标操作所需的功率水平和功率比。而且,它们提供了一个足够大的工艺窗口,以支持适应工艺变化所需的任何变更(例如,原材料中的批次间变更)。此外,给定的激光器通常允许非常广泛的自由度,以适应工艺本身的后续变更。最重要的是在一开始就确定适当的功率和功率比,这样就不必在以后对激光输出进行重大更改。

竞争对手可能会声称,相干公司产品并非“真正的”8 kW 光纤激光器。 他们说的对,它是一款 8 kW ARM 光纤激光器。 这意味着它比其他任何产品都能更好地应用激光功率,从而在特定任务中产生极佳成效。 而且,即使您的需求发生变化或提高,此类 8 kW 光纤激光器也可以继续带来更出色的成果。

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