圖1：激光應(yīng)用圖，激光與材料相互作用周期以及相對的應(yīng)用領(lǐng)域激光在汽車制造行業(yè)里的應(yīng)用很常見，已經(jīng)成為了一種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工具，尤其是激光切割和焊接在這個行業(yè)里最為普遍。在汽車制造的各個環(huán)節(jié)里，激光扮演了舉足輕重的角色，其中一直都被較少關(guān)注，但其重要性卻不容小覷的短脈沖與超短脈沖激光器，越來越受到追捧。
短脈沖與超短脈沖激光器是脈沖形式的激光，脈沖周期的寬度（脈寬）包括納秒、皮秒、飛秒等。其中皮秒和飛秒激光器就是激光行業(yè)里所稱的超短脈沖激光器。短脈沖激光器被廣泛應(yīng)用于激光打標(biāo)，比如我們常見的汽車零部件上所標(biāo)刻的二維碼就是短脈沖激光器技術(shù)的杰作。近年來，隨著新技術(shù)的發(fā)展，使得短脈沖激光器的平均功率大幅增加。另一方面，長期以來只適用于科研院所的超短脈沖激光，也隨著工業(yè)化設(shè)計的突破逐漸進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用。
圖2：TruMicro 7000, 高功率短脈沖激光器。
短脈沖激光在熱成型制造里的應(yīng)用
在熱成型沖壓的制造環(huán)節(jié)里，從開卷下料一直到完整成型的汽車部件里，幾乎每一個環(huán)節(jié)都可以運用通快的激光切割、焊接、燒蝕以及打標(biāo)等激光應(yīng)用技術(shù)。其中應(yīng)用于燒蝕的短脈沖激光器是激光在汽車行業(yè)里不斷突破的新興應(yīng)用領(lǐng)域。
熱成型里利用剪裁拼焊板是輕量化汽車結(jié)構(gòu)的一大趨勢。它不僅能減低整車的重量，也能通過拼湊不同材料而獲得最佳的材料性質(zhì)。這些熱成型部件含有一層抗腐蝕的鋁硅涂層，在焊接步驟前必須取出。若不去除這涂層，導(dǎo)致鋁含量滲入焊縫，會對材料的機械性質(zhì)帶來很大的負(fù)面影響。有效去除涂層是整個工藝的基本需求，但同時鋼板的基材也不能因去除工藝而受損，也不能因去除過程所導(dǎo)入的能量而改變基材的性質(zhì)。所以去除過程不僅需要高效率，也需要選擇性高的可調(diào)控技術(shù)。所以，在整個熱成型制造環(huán)節(jié)里，必須具備一個高效的選擇性去除涂層工藝，以保證整個加工流程的效率。
圖3：激光去除拼焊板邊緣的鋁硅涂層。
激光與傳統(tǒng)噴沙或化學(xué)工藝相比，更加高效、總成本更低并且更環(huán)保。通快的TruMicro 7050在此工藝?yán)锬芎芎玫貪M足高效與高穩(wěn)定性的需求。TruMicro 7050平均功率達(dá)750W，脈沖寬度達(dá)30ns，脈沖能量最高達(dá)80mJ，能實現(xiàn)高達(dá)5.7cm2/s的面積燒蝕率，加工速度高達(dá) 17m/s。激光器還需要搭配可調(diào)的光學(xué)鏡組，在不同的材料上，根據(jù)涂層的厚度以及去除寬度需求做出相對的光束整形。光束整形能確保光斑有適當(dāng)?shù)哪芰棵芏纫约熬€寬，保證高效的選擇性激光燒蝕。
圖4：邊緣去除涂層后未完成焊接工藝縫圖。
超短脈沖激光在噴油嘴鉆孔的應(yīng)用
超短脈沖激光技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用和其他成熟的激光技術(shù)相比，尚處于初期階段，關(guān)鍵在于激光和材料之間的相互周期。參照圖一，在冷加工領(lǐng)域里，材料和激光的相互周期是10皮秒以下，與打標(biāo)和燒蝕相比，相互周期短了近1000倍。轉(zhuǎn)瞬間，材料因為受到高能量密度的影響，而產(chǎn)生一個非線性吸收的效應(yīng)，這是使材料瞬間升華。
在汽車發(fā)動機、柴油與汽油注射器的噴油嘴加工中，就利用了超短脈沖激光器，在噴油嘴上鉆出細(xì)微的小孔。激光能鉆出排列復(fù)雜以及非一致的細(xì)微孔徑。這種結(jié)構(gòu)能使發(fā)動機提高燃燒效率，產(chǎn)生高達(dá)20%的燃料節(jié)省率。激光也不會受發(fā)動機級別的限制，是一種高柔性的制造工具。所以不論是城市小轎車所用的小型發(fā)動機或是豪華轎車的較大型發(fā)動機，都能運用這項技術(shù)。
圖5：噴油嘴零部件 圖6：超短脈沖激光在鋼材上鉆的微孔
激光在1s內(nèi)發(fā)出了無數(shù)個脈沖，輻射在材料上。每個單脈沖都能幾乎不產(chǎn)生熱效應(yīng)的去除材料。噴油嘴的孔徑一般在0.05–0.2mm之間。同時，不同的鉆孔工藝，包括沖擊鉆孔、螺旋鉆孔等，可以滿足不同的直徑需求，同時也能實現(xiàn)工差在1μm以內(nèi)的高精度。超短脈沖激光鉆孔也基于冷加工的理念，在鉆孔過程中所產(chǎn)生的粉塵能輕易地使用排氣管吸走，不留下沉積物。因此超短脈沖能高效地鉆出高質(zhì)量的孔，而不需后續(xù)加工。
近幾年，通快在超短脈沖激光領(lǐng)域里有很大的突破。TruMicro 5000的產(chǎn)品系列是全球第一個適用于工業(yè)化應(yīng)用的高功率超短脈沖激光器。TruMicro 5000基于碟片的激光技術(shù)能實現(xiàn)高達(dá)150W的平均功率，配備了雙回路反饋的專利技術(shù)，保證了脈沖能量的高穩(wěn)定性能。除此之外，由于雙回路反饋使用了外調(diào)制器控制輸出的脈沖能量，所以能保證在不同的能量與功率參數(shù)下，光束質(zhì)量和脈寬完全不受影響。
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