二极管激光器用于汽车零部件淬火硬化光耦合器

二极管激光器用于汽车零部件淬火硬化

二极管激光器用于汽车零部件淬火硬化 2011： 在汽车工业中，二极管激光器被用于在成批生产时淬火硬化零部件。 德国SITEC工业技术公司（开姆尼斯，ec-chemnitz.de）成立于1991年，是一家激光加工系统的制造商。从2003年起，它开始为汽车工业大规模的淬火硬化零部件服务。每个系统在一周15班次的运转中能够生产标准精度零部件达60,000个。

图1：激光淬火系统

激光淬火的优势 客户对加工过程的要求严格的：标准的旋转对称型工件上几乎无法接触到的界面（如图2所示），即为所要求实现硬化的部分。Klaus-Peter Wolf博士负责该公司的激光加工生产线，他介绍到，“选择使用激光的原因是必须使这些零件在淬火过程后大小仍保持原样，因为没有进行再加工的可能。由于高度准确的定位和周期性的热监控，我们可以对已完成的零件进行操作。”

图2：工件的横截面

通常，激光淬火系统根据客户需求专门定制解决方案，因此必须预先进行大量的试验以便确定最佳的生产参数。经过使用Nd:YAG激光器进行这些试验后，我们从技术角度以及经济上考虑，确定了使用二极管激光器是合理的选择。投资成本非常低，只需中等的运转成本，光束波长非常适于表面加工，这些特点是该技术胜出的关键。SITEC使用了Rofin-Sinar激光公司（德国，汉堡）1.0kW的二极管激光器，由于它的外型尺寸高度集成，因而能被成功整合到一套最新研制的系统上。无氧化作用的淬火过程 （如图3所示的）托盘系统用来承载现有的零件，它们是由专门淬火的钢材制成的，而且可以在不中断生产过程的情况下装卸零件。经过一个圆形转换台，零件从托盘上被传送到一个充满氮气的加工环境，在六秒的周期内完成加工。Wolf博士说到，“由于使用充满氮气的加工环境，我们成功完成零件的淬火过程而且在过程中不发生氧化作用。”在使用二极管方形光束又不加入柱面透镜的情况下，为了实现旋转对称性零件硬化的均一，整个加工过程中，零件以每分钟3000 转的速度被旋转。

图3：SITEC托盘系统

有力的开发伙伴 该系统的开发是在SITEC公司和工艺和光学技术研究所（IWS-Dresden）的联合项目中实现的，后者开发了温度调节的激光性能控制器，使用这一设备可充分保证加工质量。在淬火过程中，淬火温度和加热速度由在线检测装置进行记录。 这些数值由功率控制器进行运算处理，这样，零件表面的温度可以通过调整激光光束，从而维持不变。在参考范围外的偏差反映了零件的缺陷，比如残留之前加工过程的细屑，或者是温度不对。这些值均被记录下来，这样该零件就作为不合格产品被挑出来。除了对过程进行在线检测，每千个就有一个被挑出，进行金相检测。 无需备用促使产量增加 客户在零件的质量和可靠性上的高要求使得公司在项目开始时就设了另一台激光器作为备用。然而，据Wolf博士介绍，在整个生产中，机器可靠性达到了95%。这意味着，客户需求量增加的话，去年使用这台备用激光器就可以建第二个系统了。现在，由于产能的增加，每年可以淬火的零件达6,000,000个。 二极管激光器 高性能二极管激光器是由许多个半导体激光器以光学的形式被组合到一起。一块激光条形阵列（bar 条），包括了20到25个独立的条，典型的大小约10mm x 0.6mm x 0.1 mm。激光条形阵列放置在由水循环冷却的装置中。目前在工业上所使用的这类激光条形阵列所得到的功率约为50W。通过对激光条形阵列适当的堆栈，由于光束之间的光学重叠作用，每个bar 条的激光功率累积合并到一起。这样，如果结合了几个堆栈，在波长790-980nm范围内就可以得到几千瓦的功率。 然而，许多单个光束的组合影响了光束质量和聚焦能力。这意味着，工件表面所能达到的功率密度与传统类型的激光器相比来得低。目前这限制了高性能二极管激光器的应用范围。不过，它仍具有很多优势：二极管激光器结构紧凑，它们容易被集成到现有的系统中，典型的二极管寿命期限可达到10,000小时，它们的效率水平高达25%。(end)

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