改善汽车焊接，高意可调环模 (ARM) 先进光纤激光器让汽车制造商处于主导地位

时间： 2024-10-31 来源：COHERENT官网

技术问答

我们大多数人考虑汽车座椅时，通常关注的是舒适性和颜色选择，或者可能是内置加热或按摩等选装功能。但对于设计和制造汽车座椅的工程师来说，还有很多其他因素需要考虑。

首先，当然是安全。司机和乘客实际上是通过安全带束缚在他们的座椅上。在发生碰撞时，座椅结构的机械强度是保护车辆乘员避免受伤的第一道防线。

但另一方面则是重量。因为结构越坚固，其重量通常也就越重。汽车制造商在减轻汽车重量方面承受着巨大的压力。减轻汽车重量可以提高汽油动力车的燃油效率，减少排放，并增加电动汽车的续航里程。在汽车行业，减轻重量非常重要，甚至有一个特定术语来描述这个过程，即“轻量化”。

通过使用高强度钢来减轻负荷

如何让汽车座椅既坚固又轻便？关键是使用本质上更坚固的材料，如钢、钛和镁合金，以便在不牺牲机械强度的情况下，各个组件可以更薄、更轻。并可以使用塑料、复合材料或其他真正轻质的材料制造对座椅强度或刚度没有显著影响的零件。

汽车座椅设计的一项最新发展是使用高强度低合金钢 (HSLA) 和高级高强度钢 (AHSS)。这些材料比其他钢具有更高的强度重量比，因此它们在实现轻量化目标方面非常有用。汽车制造商已经在汽车框架中使用这些材料有一段时间了，现在他们正在致力于将这些材料用于座椅。

焊接高强度钢面临的挑战

现代汽车座椅由大量单独的零件组成，这些零件组装到相当复杂的结构中。有时甚至在多层复合材料中组合使用金属和其他材料。

由于多种原因，远程激光焊接（激光加工头与零件相距很远）已被证明是制造这些零件的非常有用的工具。首先，它可以轻松处理座椅组件的复杂三维形状。尤其是在使用千瓦级光纤激光器或固态激光器施焊时，它可以提供均匀一致的焊缝，焊缝具有连接多层厚夹层金属所需的熔透深度。这也是一种快速灵活的方法。

不过，使用传统光纤激光器焊接高强度钢时存在问题。其中一个问题就是飞溅。飞溅会使焊缝具有较高的孔隙率和缺陷，这意味着较差的机械强度。随着焊接速度的增加，飞溅会变得更严重，因此这限制了产量。

另一个问题是熔透深度不一致。这会导致整个焊缝线上的机械强度不一致。

材料开裂也是传统光纤激光器的一个问题，并同样降低机械强度。当材料冷却过快时会发生开裂。开裂通常发生在焊缝末端，因为激光功率会在该位置突然消失。

高强度钢因快速冷却而出现的另一个问题是它有时会产生一种称为马氏体的晶型。马氏体虽然坚硬，但也是最脆的钢。这意味着它在使用中承受太大应力时会破裂。

ARM 光纤激光器在焊接高强度钢时不会因压力而开裂

克服所有这些困难的关键是将激光能量分散到更大的区域，并更精确地控制该区域内的激光能量分布。这样便可以更仔细地控制材料中的温度梯度和冷却速率。如果操作得当，这可消除飞溅、开裂和马氏体形成。

COHERENT 高意开发了可调环模 (ARM) 光纤激光器技术，可在焊接过程中精确控制材料加热和冷却。ARM 激光器采用双光束输出。它由一个中心光斑和环绕该光斑的第二个同心激光环组成。每条光束的功率都可以独立设置甚至调制，从而实现所需的控制。ARM 激光器已被应用于其他要求严苛的汽车焊接任务当中，例如电池焊接和铜焊接，这些应用需要同样的技巧。

最近，一家大型汽车座椅制造商请求 Coherent 高意实验室对高强度钢材料进行一系列焊接测试。具体来说，这些测试涉及使用 Coherent HighLight FL8000-ARM 光纤激光器搭接焊接各种厚度的 HSLA 板。我们使用了一种特殊的焊接端接方案，可以独立地降低中心光束和环形光速的功率。

该测试成功证明了最薄材料组合（总厚度 2 mm）在最高 8.8 米/分钟的速度下，最厚材料组合（总厚度 5.7 mm）在最高 6.3 米/分钟的速度下焊接时可得到无飞溅、无裂纹的焊缝。这些速度远高于传统光纤激光器所能达到的速度。在所有情况下，由于闭环功率控制和 Coherent FL-ARM 激光器固有的后向反射保护技术，最终焊缝熔深非常均匀。

这些测试结果表明，Coherent HighLight FL-ARM 可以在高强度钢中提供高质量、低缺陷的焊缝。这种光纤激光技术可以实现高产量，并具有稳定的可靠性，因此对于汽车座椅生产应用而言，是极具成本效益的解决方案。这样一来，汽车制造商在实施大部分先进设计时就能处于主导地位，并让消费者对舒适感和安全感高枕无忧。

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