半导体激光钎焊应用于白车身

作者：Axel Luft, Silke Pflueger

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 某些时候，降低成本的同时也能够改观车的外形，制造出更好的车辆。比如：运用激光钎焊来接合汽车顶板和侧板。与激光焊接或电子点焊相比，激光钎焊极大地改善接缝的美观度，以至于可以省略接缝饰条。而消费者也得到了更多的好处：汽车更加轻便、安静、结实和安全，不再有额外的塑料部件。因此，本文作者依据经验得到的结论是：不用去商店修理塑料部件弹出的问题——这通常既耗时又费钱。省掉额外的部件还意味着汽车线条更加光滑，因为接缝表面是连续的，并且没有容易累积污垢的缝隙。 历史 过去二十年里，激光被广泛引入白车身生产线。虽然沃尔沃和宝马是最早付诸行动的品牌，但大众汽车很快迎头赶上，不久就跻身于前沿，在德国沃尔夫斯堡以及世界各地的工厂安装了数百个灯泵浦Nd:YAG激光器。首个激光接缝是隐形焊接，主要用于缩小凸缘尺寸和减轻车身重量，并通过使用液压成形的立柱使得车身结构更为结实。这些结构性焊接一直沿用至今。但是，激光接缝的优点在激光钎焊镀锌钢板时，或是对A级表面使用填充焊丝进行激光焊接铝板时，最为明显。对于这些表面来说，一条已准备好接受油漆喷涂、几乎无需后期处理的低度弯曲、结实的接缝，使这一加工过程变得独一无二。对镀锌钢板的A级激光钎焊于1997年被奥迪TT引进使用。将C柱连接至后围侧板，就可以将C柱既用于敞篷车又用于轿跑车，而在大众汽车宝来的行李箱盖上，必须冲压在两部分之上，然后予以接合。 设备因素 正常运行比率是汽车工厂现场设备的首要考虑因素。通常，正常运行比率要求大于99.5%，最长不超过30分钟的设备启动和重启时长。虽然这和电信设备相差甚远（如可靠性），但对于业界激光系统来说，这是一个很大的挑战，也是初期遇到的主要问题之一。通常通过一个双管齐下的方法来解决：一套可靠的激光器，加上一个可行的备用策略。 很多工厂采用所谓的“激光器农场”，所有用于同一条生产线的激光器都被放置在中央的环境控制地点，通常是放在楼房的夹层。现场使用的激光器通常散布在工厂各处，需要很长的光纤并通过工厂网络进行高级控制，作为光束传输解决方案。当灯泵浦Nd:YAG激光器还是唯一可利用的工业激光器时，这是最好的解决方案。这些系统体积庞大，效率低下，且需要频繁进行计划内和计划外的维修。 最新一代工业激光器——光纤耦合半导体激光器、光纤激光器或碟片激光器——都基于二极管，并且具备较好的固有可靠性。在新设施中，半导体激光器通常安置在激光设备附近（见图1）。备用策略通常是基于额外的光纤和光束转换器，允许分时使用最多6根光纤（以牺牲周期时间为代价），在多个激光设备或车身两侧工作，以免系统运行中断。备用设备安装在连铸机上，当一个激光器出现故障，就可以快速地将备用的激光器移到激光设备旁，从而解决了在生产车间维修故障激光器的时间问题。 几千瓦激光器安装在连铸机上，解决了汽车业的另一需求。只有提高了电光转换效率才可能设计出比美国家用冰箱更小的激光器。碟片激光器和光纤激光器的电光转换效率分别是25%和30%，而用于钎焊的光纤耦合半导体激光器，其电光转换效率能够超过40%。这缩小了激光器内的辅助部件（如电源供应和冷却系统）的尺寸，因此缩小了整体体积。这也意味着可以将冷却装置放置在内部或邻近激光发生器；和灯泵浦系统相比，大大降低了对外部冷却的需求。 钎焊速度的提高 半导体激光器首次作为钎焊工具是应用在生产奥迪A3的后挡板。通常的加工速度是2.4米/分钟。为了提高生产量，大众汽车制定了在不影响质量的前提下提高钎焊速度的目标。在大众汽车位于沃尔夫斯堡的途安汽车生产线，对于Nd:YAG激光器和光纤耦合半导体激光器的加工过程做比较。现有的YAG激光器使用散焦光束，而新型半导体激光器用的是聚焦光束，焦点直径为3.2毫米。 半导体激光器的使用提高了钎焊速度和接缝质量。在均匀分布的激光束焦点内工作，就能够在接缝部件范围内取得更好的功率密度分布。通过使用6千瓦半导体激光器，能够减少75%的边缘切口，最大处理速度能够增加到每分钟4.4米。大众决定将途安汽车钎焊应用中使用的所有YAG激光器换成半导体激光器。 铝表面 利用同样的加工方法，使用填充焊丝焊接铝制白车身结构是很多汽车公司在解决接缝铝板问题时必然采取的步骤。接缝模式几乎完全一样，也使用同样的加工头。图2显示了用于行李箱盖应用的试验装置，试验中使用了光纤耦合半导体激光器，并带有一个触觉加工头。 半导体激光器在焊接铝材接缝时具有独特的优势：二极管激光器的波长范围是900-1060纳米，非常接近于铝的吸收峰值，而碟片激光器的波长是1030纳米，光纤激光器的波长范围是1070-1080纳米。经过多年的发展计划，奥迪决定使用带有光纤（400微米）的4千瓦半导体激光器来焊接Q5汽车的后挡板，并且正在其生产平台上运行这套系统。 Kuka北美公司已经根据不同的接缝要求，成功使用4千瓦/400微米激光器和6千瓦/1000微米激光器。通常的焊接速度是每分钟3到4米。1000微米的光纤激光器对于边搭焊尤为实用，边搭焊要求极小的焊接强度，甚至背面不需要焊接（见图3）。 Laserline公司（网址：www.laserline.de）位于德国的应用实验室已经开展了广泛的多缝试验，证明了焦点位置和焊接角度有些许变化对半导体激光焊接工艺影响不大。试验还显示了光纤耦合半导体激光器对于背向反射的耐用性。 结论 为了满足汽车制造厂的高可靠性要求，一项近红外激光器的新成果正在为汽车车身的设计带来新的机会。半导体激光钎焊零件能够满足可视化接缝光学质量的最高技术规范，而无需额外的后期处理。光纤耦合半导体激光器凭借其工艺，以极其稳定、速度快、可靠性高以及成本优势等特点，为许多新的白车身应用所采用。

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