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适于多站运作的可移动激光器 |
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作者：Industrial Laser Solutions杂志 Andre Eltze |
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在汽车工业，激光焊接作为一项制造工艺，可以满足可重复性的高要求，实现很小的热影响区域以及对焊缝特殊的美学要求。除了已经在这个领域确立其地位的Nd: YAG激光器外，二极管激光器的使用也日益普遍。
这一点主要是因为在汽车工业的大规模应用中，现代化的二极管激光器与硬钎焊、热传导焊接相比，所具有的经济利益，以及高光束质量和高可靠性特点。
原理比较
与具有相同输出功率的Nd:YAG激光器相比，二极管激光器只需要五分之一的空间。看上去可能觉得这不是很重要的区别。然而，这会带来完全不同的设计原理，特别是对多站运作来说，由于二极管激光器是装在滑轮上的，具有可移动性，因此可以在任何需要的地方使用。
一般来说， Nd:YAG激光器被置于激光器区域的中央，从那里它们可以借助于长激光光缆(有时长度>50m)和复杂的切换系统来被各个加工站使用。这就需要冗余的激光器和长的激光光缆，它们被连于控制系统，从而保证如果一个组件发生故障，仍有激光被提供来实现各项任务，同时激光使用的安全性也始终得到保证。从激光器组合到各个加工站都放置了装有大量光纤的管道，每次备用激光器代替主激光器时，就需要在加工端口切断光纤的连接。
然而，在加工车间里，粉尘的污染经常是格外严重，这就提高了对光纤端口污染的可能。这就可能阻碍光纤再次被连接后的正常工作。长的激光光纤的购买和安置，包括初始的花费和每次更换的花费，都是相当大的。加工站可能的距离/数目的最大值受到可用光纤长度的最大值的限制。
加工过程利用这个原理来进行优化，经常不得不修改加工过程从而得到从激光器到加工站的最短可能距离。通常必须将Nd:YAG激光器置于在加工站上面的平台上以节省空间同时减小光纤长度。这再次带来了在初始设计的投资和后来维护的花费中的高支出。
此外，随后不论是增加激光器或者是增加加工站都将成为问题。如果在同一栋楼的其他地方需要用到激光器，就不得不建更多类似的组合，而每个组合都需要有自己备用的激光器系统。
相反的，二极管激光器的集成性使得一种完全不同、更为简便的方法成为可能，这是基于使用装了滑轮的独立可移动激光器。也就是说，如果其他地方需要，通过简单的断开连接在激光器端部的光纤(这与断开在加工车间连接的光纤形成对比)，二极管激光器可以在短时间内被移动来替换另一台激光器。这种设计原理使用了更短的也就是说相对便宜的激光光缆(典型长度是10-15m)，而且不需要重复排布光纤。此外，在多加工站中使用的光束切换组件不那么复杂也更为可靠，以至于用来监视所有激光器和光纤的高级别控制系统也不再需要了。
每台激光器在空间上可以被分开和灵活使用，如果有一台激光器坏了，作为一台独立可移动的激光器系统就足够来补偿，即使生产设备扩展到几栋楼里，或者在同一栋楼里的不同地方也没有问题。此外，工作站的数目和工作站的距离都不再和前一种情况一样会受到光纤长度最大值的限制。进行了生产优化的加工过程也不需因为激光器的空间冗余而作其他修改。
考虑到二极管激光器在投资和运作花费具有的经济优势，可以投资一台额外的光源来进行多站运作，从而完全不需使用光束切换开关。这里，对所有加工站来说有一台备用激光器就够了。现在，每个加工站可以各自独立的运作，且得到100%的光束辐照时间，不再通过光束切换组件来与其他激光器相连接(如图)。
在多站运作中，二极管激光器的设计原理。有四台激光器和一台备用激光器。
四个工作站，每个有100%的光束辐照时间。
下图给出了3种设计中投资费用的总结。它们同样可以被应用于有六个或更多加工车间的多站运作中。另一个图给出了费用的对比。需要注意的是，基于Nd:YAG激光器的系统，其复杂性可能很快导致其生产风险性，所以必须避免使用这个方案。与此相比，使用二极管机关枪的设计不止在财政上有利，而且提供了更高程度的灵活性并且提供了扩展的潜力。
具有四个加工站的多站运作中，使用不
同设计原理的投资费用对比
具有六个加工站的多站运作中，不同的
设计原理的投资费用对比。
目前，新一代的二极管激光器的寿命已超过20,000-30,000个激光器工作时，这大约等于三班制生产下的五到七年时间。与此相比，灯泵浦的Nd:YAG激光器，每1000小时或更少的时间就需要换更换泵浦灯，相应的就带来了生产的停工期和高的运作费用。
堆栈管理，通常被用于利用现代光纤耦合二极管激光器来进行生产的过程中，它使得二极管激光器即使在栈中一台二极管激光器意外故障的情况下也能持续工作。故障的元件可以在标准计划的服务期间中被更换。考虑到它们的使用寿命长，使用二极管激光器来进行生产的正常运行时间远远高于99.5%，也就是说通常不需要更换系统。
用于千瓦级二极管激光器的光纤不仅比Nd:YAG激光器中使用的光纤要短，而且通常有更大的直径(在同样的应用它约为1到1.5mm，而Nd:YAG激光器的是600 μm)。这就降低了光纤端口的热应力，因为现在同样的能量分布到一个大小为三到六倍的区域里了。这样，光纤对污染的敏感性减低，同时使用寿命得到提高。
在投资对比中，二极管激光器有明显的成本优势，与Nd:YAG激光器相比约为30%。此外，与传统的激光器相比，直接二极管激光器可以节省50%的成本。
即使Nd:YAG激光器已经投入使用而且费用都已付清，投资全新的二极管激光器技术可能在经济效益上更为可行。这是由于使用灯泵浦Nd:YAG激光器所带来的能源，泵浦灯，和生产停工期的费用导致的。
成功的大规模生产应用
两种类型的激光均可以满足锌覆层的汽车金属薄板的激光硬焊对激光光源的加工要求(如下表)。总线接口，如Profibus DP、Interbus-S，24小时的用户终端服务，和Nd:YAG激光器中使用的光学元件对二极管激光器来说，早在许多年前就是可用的了。基于这些理由，目前有越来越多的用户选择使用二极管激光器，特别是与多站运作相结合使用。目前，在世界范围内已有数家汽车制造商使用二极管激光器进行硬钎焊。
使用二极管激光器来进行硬钎焊除了有经济利益上的优势以外，还能实现技术层面上的加工改善：对硬钎焊焊缝的直接对比表明，使用二极管激光器能得到平静的焊接熔池以及稳定的硬钎焊过程，这是由于其时空稳定性更高并且光束分布均匀，光束有一个大致为平顶的强度分布。这样得到的结果是焊缝处表面更为平滑。
集成化可移动激光器系统在多站运作式生产中显示的优势并不局限于汽车工业中的应用。二极管激光器已经能够胜任许多其他方面的应用。多年来，它们被成功的用于激光的塑料焊接，金属的热传导焊接以及淬火和镀层/覆层等应用。与追求得到可能的最佳光束质量相比，客户们更多的是关注二极管激光器的经济效益和技术优势，然后选择足够胜任工作任务的光束质量。
Andre Eltze 是Laserline GmbH的欧洲地区技术销售经理。
联系方式：andre.eltze@laserline.de或访问www.laserline.de.(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/29/2005) |
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