西门子6ES7313-6CG04-0AB0
| 激光加工作为一种先进的材料切割手段，已经越来越为钣金生产者所接受。随着计算机控制技术和光学技术的不断进步，人们对于其加工能力的期待也越来越高，这种期待不仅仅是对能够切，更是对切得好和切得快的期待。而能给予回答的当然离不开加工机的性能，同时被加工材料优劣也直接影响回答的效果。 激光加工起步较早的欧美和日本，在上世纪80年代开始由激光加工机生产厂商对钢材生产提出了具体的质量要求，从而有了区别于普通钢材但价格偏高的激光专用钢材。而随着激光加工成为主要的切割手段被接受后，25mm以下普通钢板就以激光专业材料作为标准材料了。然而，由于中国的发展太快，钢材生产来不及适应，就有了中国钢材与进口钢材之分。其主要区别在于钢材中杂质含量和对钢材表面的处理以及运输保管等一系列原因，造成了中国板材切割难的现状。 当今中国的粗钢产量不仅是***一，更是超过了全球产量的50%，发展中国家甚至一些像澳洲韩国等发达国家为节约成本也在大量使用中国板材，因此与其期待中国钢材来适应激光切割不如研究和提出能够优质地加工劣质材料的方法和提案。本文提出其中的一些思考以抛砖引玉。 【在中厚板加工中遇到的问题】 1. 碳钢厚板穿孔问题 在厚板加工中穿孔时间占很大比重，各激光厂商纷纷开发了快速穿孔的技术，较为有代表性的是高能穿孔（炸孔），这种方法的优点是速度快（1秒，以t16mm为例—以下相同），但缺陷是不仅影响对小形状的加工，穿孔时注入的巨大能量使板材温度升高进而影响接下来的整体切割过程。而用小功率脉冲进行穿孔的话，时间就很长（12秒），会导致切割的效率下降和单位成本的提高。 2. 切割面品质问题 图1.和图2.示出了加工中厚板时经常会遇见的切割断面，这样的切割不仅成品质量受到质疑，还会伴随着过烧和严重的粘渣出现，以致体现不出高价的激光加工机区别于其他切割手段的价值。
在对国产钢材的整板加工中，经常会出现局部区域加工不良的现象。这种现象有时很随机，即使在加工机状态良好的情况下也会出现。为了处理局部故障品而大大地影响了整个工作进度，这里对此不明原因的加工失败也给出一些笔者的分析和对策提案。 【针对上述问题的解决方案】 1. 高峰穿孔（HPP）方案 顾名思义就是利用占空比小的高峰值脉冲激光，辅以喷射在材料表面上的不燃油以清除开孔边缘附着物，控制脉冲的合理频率边冷却边穿孔。其特点是相对炸孔虽然时间稍长（3秒），但穿出的孔径小（约φ4mm）且开孔边缘无附着物以及入热较低，便于接下来的正常切割加工，相比普通穿孔则效率提高了4倍。图3.示出了普通穿孔、HPP穿孔和高能穿孔的区别。
对于碳钢来说改善切割断面的重要因素是控制对板材的入热并能保证激光照射部分的充分燃烧。三菱电机开发的K-CUT加工条件较好的完成了这一使命。图4.是在同一块国产板材上用传统条件和K-CUT条件进行切割的效果比较。而对于不锈钢来说改善切割断面的重要因素则是光束的改良（改善焦深）与辅助气体的有效利用。亮面切割技术就是改善了发振器和喷嘴所得到的结果。图5.是改善后的效果。断面上部粗糙度8μ、下部12μ堪比机械加工。
当前为了提高加工机的运行速度，激光机多采用俗称飞行光路的结构，即材料托盘不动而加工头在整个可加工区域内运动的形式。而为了补偿加工头与光源相对位置的变化，各厂商也尽可能保证光斑在加工范围内的一致性，使用曲率可变折射镜是普遍选择的方式。这种方法虽然结构简单却会改变焦深，使在对焦深极为敏感的中厚板切割时会显得力不从心（既要保持光斑不变又要保持焦深不变）。三菱电机采用的等长光路方式（在可加工范围内光源与加工头之间光传播路径等长）可避免焦深变化，从而使光斑和焦深都保持一致。另外对入热的重视使板材积累的热量得到控制，较好地解决了稳定性问题。图6.示出了等长光路的原理及在加工区域中不同位置的加工效果。
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由于各地政府对汽车尾气二氧化碳排放的限制越来越严格，轻量化是目前汽车制造中*热门和*重要的话题之一。轻量化可以从结构设计、材料以及工艺三个方面来实现。而这三个方面都需要一种实现的工具：激光。
使用不等厚板是目前*成熟*广泛应用的的优化车身结构设计方法，而不等厚板则是采用的激光拼焊实现的。
轻量化的材料，目前*常用的有热成型和铝合金。热成型材料由于硬度太高，需要激光切孔和修边；铝合金焊接的**方式也是激光。
而车身零部件之间的连接，采用激光焊接也可以减小法兰宽度，减轻重量。包括汽车上其他各种部件，如汽车座椅的焊接，也越来越多的采用激光焊接来实现轻量化。
以上所有这些激光加工工艺，TruDisk碟片式激光器都可以完美胜任！
激光拼焊及铝硅涂层剥除
激光拼焊是汽车车身零部件中较早的激光应用。其优点是可以将两种或者多种厚度的板材拼焊起来，在满足车身上各个部位的不同强度要求的同时，减轻车身的重量。由于激光拼焊有着悠久的历史，其使用的激光源也一直在不断演进。从1980年代的二氧化碳激光器，到2000年后的灯管泵浦固体激光器，直到2006年后开始使用TruDisk激光器。
由于TruDisk碟片激光器转换效率高（>30%），维护成本低（仅水循环系统需要维护），较早的激光拼焊线上的二氧化碳激光器和灯管泵浦固体激光器也都已经更换为*新的TruDisk激光器。根据宝钢的成本核算，更换新激光器的成本，在3年内即可通过节省使用成本的方式收回投资。
激光拼焊板与热成型材料都是汽车轻量化的重要技术。两种技术的结合使用，将不同厚度的钢板拼焊之后再进行热成型处理，能够更进一步优化车身的强度分布，从而减轻重量。
图1，含铝硅元素的焊缝
为了防腐蚀，大多数的热成型材料都有铝硅涂层。而在激光焊接过程中，铝硅涂层将在焊缝中形成FeAl合金金相（如图1所示），从而导致激光焊缝无法通过抗拉强度测试。因而，在激光焊接前必须去除铝硅涂层。
*常见的铝硅涂层厚度是20μm（如图2所示）。而在涂层与母材中间，会形成一层成分为FeAl3 和 Fe2Al5的合金层，其熔点高于铝硅涂层，达到1000~1100℃。因而在剥除涂层过程中，可以通过**控制激光工艺参数，保留熔点较高的合金层，以保留零件的防腐蚀新能。
图2 ，铝硅涂层被剥除后的钢板边缘
这种剥除工业采用的是一种短脉冲的激光器：TruMicro 7060。其脉冲宽度为纳秒量级，*大脉冲能量达80mJ，平均功率为850W。而这种TruMicro激光器也是在碟片激光器平台上开发而来的，即在碟片激光器谐振腔内部增加调Q开关来获得纳秒级短脉冲（如图3所示）。
图3，TruMicro 激光器谐振腔
TruMicro 7060激光器可通过方形光纤和特殊镜头，获得线型光斑，以在涂层剥除时达到更高的能量利用率。这样，涂层剥除速度可达5cm2/s。也就是说，在剥除1mm的边缘宽度时，其线速度可达500mm/s，即30m/min。对于拼板焊，两块板的两面都需要进行涂层剥除，这样，整个工序的剥除速度可达即7.5m/min。这一速度正好与常见的激光拼焊速度匹配。所以这种剥除工艺可以被集成到激光拼焊生产线中，实现完美的在线生产。
图4，用于激光飞行焊的TruDisk激光器+PFO振镜
激光飞行焊接
除了激光拼焊，激光飞行焊也已经被广泛应用于汽车车身及其他零部件的焊接。激光飞行焊是将振镜焊接头与机器人的运动结合起来，实现高效灵活的激光焊接。振镜（PFO）及飞行焊的原理见图4、5、6。其中PFO可以通过两片镜片的旋转，实现激光焦点在工件上的快速灵活移动和定位，可以大大提供激光焊接时的动态性能，更加高效。而机器人则可以扩展焊接范围，以实现更大零件的焊接。两者的结合，则可以实现优势互补，达到高效、灵活、低成本的激光焊接。
图5，PFO振镜原理
图6，激光飞行焊原理
相比于传统的电阻电焊，激光飞行焊接有如下优势：
● 焊接所需法兰宽度小，可节省材料，减轻重量；
● 焊缝形状和方向可以根据零件进行灵活编程设定，以达到**的应力分布；
● 由于激光焊缝强度更强，可用更少的焊缝数量达到零件强度要求；
● 生产效率高：激光束从一个焊缝位置跳转至下一条焊缝位置只需<35ms，基本消除非焊接时间，大大减小生产节拍，提供生产率，降低单件生产成本。
● 实现相同产能所需设备数量大大减少，减小设备占地面积。
在汽车车身上，激光飞行焊常用于车门、侧围等部件的焊接。例如车门采用激光飞行焊接，可以减小窗框宽度，增大窗户面积，减轻车门重量，同时提供生产效率。根据奔驰的实际使用经验，一套激光飞行焊接系统可替代10套电阻电焊。
此外，激光飞行焊也已经在汽车零部件的焊接上广泛应用，比如汽车座椅部、面板支架等部件的焊接。
三维激光切割
热成型零件由于硬度高，通过传统冲压方式进行冲孔和切边会导致模具快速损伤，成本非常高。而激光切割则对材料的硬度完全不敏感，目前已经是热成型生产线中标准的工序。针对这一应用，通快专门开发了三维五轴激光切割机床TruLaser Cell 8030，其使用的也是TruDisk激光器，*通用的型号是TruDisk 3001，激光功率为3kw。
图7，TruDisk 2000与TruDisk 3001的切割成本对比
为了降低单件加工成本，我们也开发了采用2kw激光器TruDisk 2000的激光切割工艺。虽TruDisk 2000的激光功率只有TruDisk 3001的2/3，但其功率密度却非常接近，因为它的光纤更细，芯径只有50μm。因此，对于一些较薄零件的切割，TruDisk 2000的切割时间只比TruDisk 3001多了2%，而单件加工成本却*多可以降低6%（图7），其投资成本和能耗更低。
小结
激光已经成为汽车轻量化所必需的一种工具。由于各种激光的各种特性和优势，其应用将会越来越广泛。而激光加工的发展方向必然是更加高效、更加灵活和更低的成本。TruDisk激光器正顺应了这一趋势，从1999 年的第一代碟片激光器， 到*新的6C系列TruDisk激光器，其激光功率越来越高，能耗却越来越低，体积也越来越小。相信下一代的TruDisk激光器将会有更大的进步。(end)