高速、高效的激光加工

大傻

激光加工具有热影响很低、材料变形很小、加工速度快、无需接触和无需后处理等诸多优点，但是目前中国本土的汽车厂商，尤其是大量的零部件生产厂家对激光焊接、激光切割以及激光打孔等的应用并不够。
; y6 A9 e6 a3 H7 q, H' j6 q/ }6 E( u对于飞速发展的中国汽车制造业而言，我们都多次在各类场合听到关于用激光加工的论题。在实际产业应用中，很多欧美汽车整车和零部件厂商早在十几年前就积极投入大量的研发力量，联合激光制造企业开发出很多激光加工的工艺和生产线，并在大规模生产中广泛地提高了生产效率和产品质量。但放眼看目前中国本土的汽车厂商，尤其是大量的零部件生产厂家，除了简单的激光打标外，其他方面的应用如激光焊接、激光切割以及激光打孔等的应用并不够。作为在这类应用加工领域处于领导地位的激光厂家，GSI在此愿意概括激光在汽车制造业应用的领域和特点，抛砖引玉，帮助大量的中国本土企业认识到激光这一特殊高端技术的优势，并竭诚为广大读者提供相应的技术支持。
7 B- u3 G2 w) c- Y/ k# ?5 }激光加工的特有优势
, {" Z+ H  o; Z( D3 l1.热影响很低，相对与传统的焊接和切割方式而言，激光加工无需产生高温，从而最大限度地减少了对母材及涂层的材料破坏；
# c" c; ]- J. V9 D4 Q1 X7 N2.材料变形很小，大量的材料变形都能控制在百分之几毫米的范围内；
5 b; F, r7 W! i3.高速加工，对于较薄的不锈钢材料，焊接速度可达到10～20m/min，针对不同的材料及厚度会有响应的变化；
* Y) o8 @; v+ ~0 `4.加工处理后的材料表面会很干净、光洁。大部分的钢材、铝材及合金等材料在激光加工后，表面都不会出现明显的变形或破坏，最大程度地保持了原有材料的外观和特性；
, S# y0 L2 J# z5 C3 h# v3 g5.单边加工，无需接触，因为激光的工作原理为非接触式的光束聚焦，所以只需要单边在一定距离之外作用在材料上即可；
+ x0 R4 R, n1 |5 k3 N6 ?+ P+ z2 X6.无需后处理。
& S+ d3 L4 u( V- F, e激光焊接
焊接可以细分为车身焊接和零备件焊接。对于车身而言，最普遍的是可以完成车顶到侧身及车门的车体焊接。通常是镀锌钢材的2层搭焊，有时也会有3层的焊接需求，长度可达2～3m。此外因为激光加工可以将不同厚度和等级的材料容易地焊接起来，这种优势可以减少很多额外的工序，大量节省成本和材料，所以在更多的与车身相关的焊接处理上，如挡板、面板、车门内层、座椅和摇杆等，都越来越多地出现了用激光来代替传统的焊接方式。在这些焊接中，所涉及的材料目前多为钢材（无镀层低碳钢或10～20mm镀锌钢）和铝合金（如5000系列铝镁合金、6000系列铝镁硅合金或7000系列铝锌合金）。需要注意的是，在镀锌钢的焊接过程中，因为钢的熔点（1 500℃）和锌的熔点（800℃）相差很多，实际操作中容易产生多余的孔隙，成为很多厂家的困惑，而GSI专业应用工程师经过多次的研究和实验已经解决了这个困难。而对于铝合金而言，因为铝的高反射性能，也会有很多厂家在应用中遇到多孔、断裂等问题，同样在这方面GSI也成功地通过添加填充物（特别是2000到6000系列的铝合金）、双光斑等技术克服了这些问题。
在汽车零部件方面，激光焊接应用领域就更广泛了，常见的有：ABS系统组件、安全气囊组件、螺线管、电池和燃油喷嘴等，使用GSI具有超级调制功能的连续型激光器可以为这些产品的高性能焊接提供最适合的解决方案。超级调制可以瞬间成倍提高激光的输出功率而达到一般激光器无法实现的熔深和焊接效果。
0 }2 }6 _0 T0 Y0 T, T例如对燃油喷嘴的焊接，我们采用图1所示的参数设置，采用后的实际输出功率只有平均功率500W的65%，从而最终实现了较少的热影响、更低的运营成本、更长的灯管使用寿命和最终非常稳定一致的焊接效果。GSI推出的JK125P型激光器（见图2）专门用于高精确度的焊接和细微切割，适合多种不同的工业用途。

* G* H. f6 v0 _! ?% e# ?5 ~图1  燃油喷嘴焊接的参数设置

图2  JK125P型激光器
激光切割
! z6 F  ^" S# s6 v激光切割是除了焊接外激光的另一大类应用，其主要的特点有：
: ?; \: v1 U2 ^! t+ ?% @. D) A1.非常细的切口宽度，笔直的切边和漂亮的外观；
2.在切边附近最小的热影响区域从而实现最小的工件变形；
0 `# \+ }7 h/ o0 c! c8 d- y3.在加速或减速时由于有对平均输出功率的良好控制所以消除了多余的材料熔烧；
+ z' Q, |  H, L$ ?! i( ?% `4.没有机械变形；
5.相对于传统的切割方式而言，没有切割刀具的磨损；
目前在汽车加工领域，工程塑料、液压成型管等都有很广泛的激光切割使用。
- J# l1 M) c8 ?6 i% k: E/ U汽车气囊组件的激光焊接解决方案
. o! N6 C! e" m) W( M0 c  ], J7 Z: R5 Q在这里向大家介绍一下GSI激光事业部在北美为一家汽车气囊组件提供的激光焊接解决案例。
" Q( S8 B; W) E# o& F* i( BOberg Industries（以下简称“Oberg”）是一家精密冲压件制造商，主要服务于汽车、医疗及航天航空等诸多产业领域，以高精度成品部件（Finished Part）而闻名。一家汽车领域的客户曾告知该公司，另一家制造商提供的某种气囊组件的焊接有质量问题。这家供应商采用传统的钨极氩弧焊（TIG）焊接工艺，很难确保提供必要的可靠性。
Oberg采用自己独特的专业冲压技术提高了组件的精确度与质量，但客户还希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是，Oberg开始考虑采用激光技术来实现上述目的。在其位于宾夕法尼亚州匹兹堡附近的Sarver厂房中，Oberg采用低功耗脉冲YAG激光器进行了焊接试验。Oberg的客户对试验结果在视觉外观和强度方面的表现感到非常满意，但认为整个工艺过程还是太慢。
鉴于此，Oberg请GSI激光事业部帮忙，看他们能否通过其应用实验室分析提高速度的方法。就自身的要求而言，Oberg需要一种不仅能支持50mm/s的焊接速度，而且还能满足最终客户强度要求的激光源。
3 P7 A) K" B2 j$ s焊接管是一根厚度约为1.2mm的1008带孔碳钢碎片过滤管（debris screen tube）。焊接前，先在平板上打孔，然后再让平板形成间隙约1.5mm的管，这样便于进行接缝对齐与定位。这一工艺的质量标准是确保表面和底部外形良好，而且即使有超大球状物强行通过过滤管，也不会影响焊接。制造过程中阶段性进行检测。
位于密歇根州Novi市的GSI应用实验室的最初任务是测定原型部件的精确的激光源以及合适的焊接技术。与Oberg进行探讨后发现，尽管1kW连续Nd : YAG激光器能轻松实现50mm/s的焊接速率，但是这样该项目就毫无经济性可言。从预算的角度来说，500W激光器更适用。原型部件于2006年7月焊接成功，其采用的是支持连续波(CW)与Super ModulatedTM 两种输出的JK501SM Nd : YAG激光器。原型部件焊接试验时，以不带孔的实管部件为对象。为达到不同的熔透以及检测其强度，分别采用了不同的焊接速度和参数。
Super ModulatedTM  输出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率，最大可达额定激光功率的2倍，同时还能实现激光全额定平均功率。这样，焊接速度就提高了40%，而消耗的热量则比仅采用CW输出降低了很多。
& h2 S$ R5 ]7 S: f0 f/ _) y此外，Super ModulationTM 还能大幅减少焊接过程中焊接熔池上方烟尘所散射的激光能。CW 输出在焊接开始几毫秒后会在焊接处一直产生大量的烟尘，烟尘为颗粒状，会发生散射，从而导致光束偏离焦点，产生较大焊缝熔宽并降低熔透。
8 P% h3 f% Q! E当采用周期性峰值正弦波或方波波形时，超级调制激光器的激光能可在烟尘量达到一定散射影响之前几毫秒内发出。在调制低能量循环阶段，烟尘量会快速降到接近零，而后激光源再通过 Super ModulatedTM 输出开始下一工作循环。不管激光功率大小或光束质量如何，都会产生该效果。CW、正弦波及方形波调制的截面图清晰显示了熔透的改善情况。
为此，Oberg选择了最平稳的500W CW焊接法，焊接速度为50mm/s，熔透达100%，采用100mm的调焦镜头，焦点直径为300mm。将这些初始部件放入简单的虎钳中，夹到缝隙密闭，保护性氩气体通过侧喷嘴排出。
2006年间，随着部件设计的进展与制造工具的推出，Oberg又进行了更多焊接测试。在所有情况下，部件都手动放入固定装置中，再用虎钳将其夹到缝隙密闭，激光工艺过程非常一致。
) w2 d1 r8 T& m4 M0 m激光系统抵达Oberg开始进行激光焊接后，在原型焊接转型为自动化制造焊接过程中出现了一些问题。对接焊缝的缝隙由于部件位置与弹力问题出现了某些不一致性。制造固定情况下的保护气体排放设计未经过检测，此外焊接部件也没有通过客户的机械测试。为了实现适当的焊接强度，焊接速度降至23mm/s。
) A' S* }& ^$ m2 X- HGSI应用工程设计中心对焊接结果进行了检查，并派工程师与Oberg相关人员一道解决了工艺问题。结果他们发现，某些固定部件中存在缝隙，而且焊接位置的差异导致焊缝与中央定位不佳的激光焊接中能量损耗。提高调焦镜头的焦距可扩大焦点尺寸，从而可避免相关缝隙问题。
  R2 D8 d' K8 f/ o1 Z为将焊接速度提升至50mm/s并确保系统的经济实用性，激光参数改为方波Super ModulationTM。这就加快了焊接速度，而且能满足焦点尺寸扩大20%的要求。
最后，为了实现足够的焊接强度与韧度，必须优化焊接固定设备给的保护性氩气体排放，确保工艺过程中与冷却过程中焊料中的含氧量极低。
最后为实现50mm/s的焊接速度，可采用方波超级调制技术，频率为300Hz，峰值功率为900W，焦点尺寸为360mm，并排出保护性氩气。使用平均功率为500W的Super ModulationTM 技术使系统可弥补项目原型开发阶段难以预计的缝隙差异问题，同时还能通过低成本、功耗适中的YAG激光技术同步设计部件与工艺。
0 b+ v& l. M" W$ o7 A) U成功实现工艺设计后，Oberg的焊接部件达到了所需强度，而功耗则比预估的还低。通过使用具有超级调制功能的500W持续波形激光器，Oberg不仅以低成本实现了必需的速度要求，而且还能确保制造工艺中的焊接速度与质量，解决所有工艺容限问题。通过采用该系统，估计Oberg可节约约10万美元的机械成本。
5 z8 n( I3 \8 e/ i' kOberg对上述结果非常满意，这不仅有助于赢得新的商机，而且还能使它为新老客户推出全新的制造工艺。
3 \3 c$ {2 [' Z$ i& e【MechNet】
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