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供多站应用的可移动二极管激光器

时间：2011-12-31 22:52:03  来源： 打印本文

供多站应用的可移动二极管激光器

2005/9/29/11:4来源：中国激光网专家委员会作者：单振国 译摘要：与Nd:YAG激光器相比，二极管激光器的优点使它们在多站运转场合越来越受到欢迎。
 
    在汽车工业中，激光焊接本身日益成为生产过程的一部分，它能满足加工重复性、热影响区最小、焊缝特别美观等高要求。除了Nd:YAG激光器已在这个领域确立了应有地位之外,现在,采用二极管激光器也变得越来越普遍了。

    采用二极管激光器的主要理由是经济效益好，此外还有很好的光束质量和很高的可靠性, 例如,在汽车工业大量采用的铜焊和热传导焊接中，你就可以看到这一点。
 
概念的比较
 
    假如二极管激光器的输出功率与Nd:YAG激光器的输出功率相同,那么二极管激光器所需要的空间只是Nd:YAG激光器所需空间的五分之一。初看起来，这一差异似乎无关紧要。但是,由此却产生了一种根本不同的加工概念,特别是对有多个工作站的场合来说，这是一种全新的激光加工概念：把二极管激光器装在滚筒上, 二极管激光器是可以移动的, 因此不管在那里，都可用该二极管激光器加工。
通常,Nd:YAG激光器位于激光池的中心, 从那里开始，借助于一根长的激光光缆(在某些情形下，光缆长度> 50 m)和复杂的开关系统，将它们引导到各站。在这种情况下，要求备用的激光器和一定长度的激光电缆，并通过控制系统将它们连在一起，以确保万一某部件失效, 所产生的激光功率仍能满足所有工作的需要，而且在任何时候都能保证激光器安全。在激光池到每个工作站之间有装有很多光纤的管道连接。在每次用备用激光器代替主激光器时，光纤必须与加工头断开连接。但是,通常在加工池中，灰尘的污染特别高，这增加了光纤端面玷污的风险。这可能使光纤在重新连接后不能工作。长激光光缆的成本、最初布线以及以后每次不得不更换它们的费用是相当可观的。最大工作距离和工作站的数目均受能获得的最长光纤所限(见图1)。

图1. Nd: YAG激光器在多工作站运转应用中的加工概念。

    图1. Nd: YAG激光器在多工作站运转应用中的加工概念。这个工作站采用2个激光器和一个备用激光器，用于控制所有光纤和激光器安全的中央PLC没有考虑在内。共有4个站, 每个站约占有40%的光束时间。

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    对这个概念来说，该生产过程最佳。为了使激光器到加工站之间的距离变得最短，通常不得不对该生产过程进行改进。通常需将Nd:YAG激光器放在加工站上面的平台上，以节省空间和减少光纤长度。这样做就使最初的投资和以后的维修费用都增加了。

    还有，以后要想增加激光器或增加工作站都变得非常棘手。如果厂房中的不同部分也需要激光器，就需要建立更多的激光池，而且每一个都要有自己的备用激光系统。

    比较起来，二极管激光器紧凑，使一个根本不同的和相当简单的手段成为可能。该手段利用装在滚筒上的单个可移动的激光器。这意味着，如果在别处也需要激光器的话，就可将这个二极管激光器移过去以代替另一个激光器，只需要简单地注意需将连接在该激光器端面的光纤(光纤的另一端与加工池连接)断开即可。这个加工概念使用较短的，因而比较廉价的激光光缆(典型长度为10-15米)，没有任何光纤需要布线两次。此外，用于多站运转的光束开关也比较简单和可靠，因此，不需要有能监视所有激光器和光纤的高级控制系统。

    各个激光器可以在空间上分开和灵活应用,因为万一某激光器失效，单个可移动的激光系统也足以进行补偿，即使生产设备延伸到几个大楼，或一个大楼内的几个不同部分，也是如此。而且，加工站的数目和到各个工作站的距离，都不会像采用Nd:YAG激光器那样，受最大光纤长度所限。对生产最佳的加工过程不需要再计划修改了(见图2)。

图2. 在多站运转时，采用二极管激光器的加工概念。

    图2. 在多站运转时，采用二极管激光器的加工概念。这个多站系统含有二个激光器和一个备用激光器。共有4个站，每站占有40%的光束时间。

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    考虑到二极管激光器在投资和运转经费方面的优点，为多站运转投资另一个束源也是值得的,这样就可以取消所有的光束开关。这里也一样,对所有的加工站采用一个备用激光器就够了。现在，各个工作站可以完全独立的运转，享有100%的光束时间。不再需要通过光束开关的周期时间将它们相互连接起来(见图3)。

图3.在多站运转时，采用二极管激光器的加工概念。

    图3.在多站运转时，采用二极管激光器的加工概念。这个多站系统含有4个激光器和一个备用激光器。共有4个工作站，每站享有100%的光束时间。

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    所有这三个加工概念的投资费用概括在图4中。它们也适用于具有6个或更多个加工池的多站系统。成本比较示于图5中。应该注意的是：基于Nd:YAG激光器系统的复杂性可能很快变成生产风险，因此，应该避免。通过比较不难看出，采用二极管激光器的概念不仅可以节省经费, 而且还能提供更大的灵活性，具有扩大生产规模的潜力。

图4.在多站运转时，不同加工概念的投资成本比较。

图4.在多站运转时，不同加工概念的投资成本比较。由图1，2，3可知道，这个多站运转系统共有4个站。

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    现在，新一代二极管激光器的寿命已经超过20,000-30,000小时, 这相当于在3班生产时，可工作5-7年。相比之下,灯泵Nd:YAG激光器，大约每1000小时就需要更换一次灯，更换时需要停工，因而运转费用较高。

图5. 对具有6个工作站的多站系统来说，

图5. 对具有6个工作站的多站系统来说，不同加工概念的投资费用比较。

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    将激光器堆积起来是现代生产光纤耦合二极管激光器的常用方法，在这种激光器中，即使其中的一个激光器坏了，也不会影响该激光器的正常运转。有缺陷的器件可在正常维修期间调换。由于它们的寿命很长，二极管激光器用于生产的正常运转时间远大于99.5%，这意味着不需要更换激光系统。

    用于千瓦级二极管激光器的光纤不仅比用于Nd:YAG激光器的光纤短，而且还具有更大的直径（一般在1-1.5毫米，而具有相同用途的Nd:YAG激光器的直径仅为600 μm）。这一特性可减小光纤端面的热应力，因为，同样的功率现在可以分布到3-6倍大的端面上。结果，光纤对玷污就不再敏感了，从而延长了它的使用寿命。

    在经济方面，采用二极管激光器的费用比采用Nd:YAG激光器的费用大大减少了，至少减少30%以上。直接采用二极管激光器的成本效益要比采用传统激光器高50%。

    即使Nd:YAG激光器已经在生产上使用并已全部付清了费用,对新的二极管激光器技术的投资也是值得的。 这是因为，在采用灯泵Nd:YAG激光器时，能源、灯和生产停工所需的费用是很可观的。
 
成功的大量生产应用
 
    在汽车工业中，镀锌板材的铜焊工艺对激光光源的要求可以用上述两种类型的激光器实现(见表)。总线接口，如Profibus DP或Interbus-S, 24-hour teleservice以及用于Nd:YAG激光器的光学元件等，用于二极管激光器也已经有好多年了。因此，现在选择二极管激光器的用户越来越多，特别是在多站应用领域。例如，现在世界上已经有好几家汽车制造商将二极管激光器用于铜焊。

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    将二极管激光器用于铜焊，除了经济效益以外，在技术方面，也使加工过程得到了改进。直接比较汽车零件上铜焊缝表明：二极管激光器能产生一个特别平静的熔化池和稳定的铜焊过程，因为该光束在时间和空间方面的稳定性较高，以及光束分布比较均匀，而且具有近似礼帽式的强度分布。结果就使铜焊缝的表面变得更加平整。

    紧凑、可移动的激光系统，在多站应用领域对生产企业带来的好处，不只是限在汽车制造业。二极管激光器已经征服了许多其它应用。它们在激光塑料焊接、金属热导焊接和硬化、涂覆等方面，已经成功使用了多年。如果用户不是刻意寻求尽可能好的光束质量，现在就可以调查二极管激光器在经济和技术上的优势，挑选一个能足以完成任务的光束质量。