【聚焦激光】激光功率监控如何提升汽车的安全、质量和产率

背景

作为在当代汽车制造中广泛使用的工艺，激光焊接在汽车领域的应用，起步于变速器齿轮等核心部件的加工制造。这些部件的焊接要求精度高、形变小、材料变性程度低、表面整洁度高，因此率先采用了当时成本高昂的激光焊接技术。随着高功率激光器的发展，激光焊接逐步在白车身制造、新能源电池组制造等领域成为重要制造工艺。

激光焊接的广泛应用场景

01

车身框架结构等多种金属件的焊接 

在白车身的制造中，激光焊接可用于多种金属件的焊接，包括车身框架结构、顶盖、侧围等。焊接工艺包括搭焊、钎焊、激光-电弧复合焊等；焊接材料包括各类钢材、铝合金。与传统的点焊相比，激光焊接的优点是工件变形极小，焊接深宽比高，焊缝强度高，焊接速度快，焊缝窄，且通常表面状态好，灵活性高。采用激光焊接可显著增加车身刚度、减轻车身重量，适用于更多样的结构件形状和工艺，从而降低整车成本。凭借众多优点，近十年以来，激光焊接在白车身制造加工的焊接工艺中占比越来越高，逐步取代传统的点焊工艺。

白车身激光焊接通常用多轴机器手夹持导光臂与焊接头，工件装载到位后，在软件控制下机器手沿焊线运动完成焊接。

图1 白车身激光焊接生产线

02

电动汽车电池组焊接

随着新能源汽车的迅猛发展，在电动汽车制造过程中，激光焊接的应用又有进一步拓展。为了生产紧凑型电池组，需要将单个电池高质量焊接在一起，以便将它们串联或并联。连接各个电池的焊点必须具有非常高的质量，因为电池必须承受极端环境的挑战 — 如季节性温度波动带来的形变，行驶甚至是碰撞引起的巨大冲击和震动。此外，它通常是电动汽车中较为昂贵的单一部件，整车的可靠性和稳定性由电池决定；同时，确保对制造电池所需的稀土进行负责任的管理，即使在其移动使用寿命结束后，电池仍应可以利用，例如作为风能或太阳能系统产生的电力储存。所有焊接必须始终以极高的精度和可靠性执行；因此，激光焊接是电动汽车电池组焊接工艺的良好选择，而激光器的输出特性必须时时加以监控。

图2 电动汽车电池组示意图

行业难点

无论采用哪种激光焊接工艺，焊点或焊缝的质量对所生产的部件的安全性和可靠性产生决定性影响，并最终影响整车的安全性和可靠性。激光焊接设备的制造商和应用商必须确保其设备在自动化生产线上能够正常工作，尤其是激光器的参数特性在复杂生产环境中保持稳定，以实现良好的焊接工艺并确保其一致性；当激光器性能衰减时，要能够尽早发现以尽快启动预案，避免设备检修停机带来的时间浪费。

激光功率是了解激光器系统是否正常工作的重要指标，因此定期对焊接头输出的激光功率进行测量是确保焊接工艺稳定性和一致性的重要方法。但对于汽车工业广泛使用的万瓦级的激光，常规测量是复杂、繁冗、耗时的 — 激光功率计需要专人操作，需要配置水冷，探头位置需要精心摆放以避免探头损伤同时确保激光安全，需要数分钟才能够达到稳定的读数......在争分夺秒的整车生产线上，定期停机测量激光功率是严重的浪费。

解决方案

01

如何能够兼顾高质量和高效率？

Ophir公司专门针对高功率自动化焊接生产线开发了HELIOS 激光功率计。不同于传统的激光功率计，HELIOS只需要0.1 ~ 10秒的时间来测量激光的能量，从而获知激光的平均功率；这样可以在焊接生产线上，利用工件装载的空闲时间，通过机器手将焊接头移动到功率计探头探测区域，开启激光数秒完成测量，然后立即进行下一次加工。

这种巧妙的方式可实现高达12kW激光的全功率实时、在线测量。同时，由于其瞬时测量方式，仪器不需要水冷或风冷，适合工业现场使用；入口具备可程控快门，避免现场粉尘、飞溅物损伤功率计探头。

数据可通过Profinet，Ethernet，RS232或USB接口传输至自动控制系统，一旦激光在加工平面上的功率超出公差范围，就可以立即采取对策来确保生产质量。

图3 HELIOS功率计和软件

02

需要关于高功率激光器加工区更完整的信息？

OPHIR提供Beam Watch激光焦斑测量仪，完全非接触式在线测量激光聚焦后的焦点位置、尺寸，并可根据激光功率测值计算焦点功率密度。一旦激光参数有变，用户将可以第一时间做出响应。

图4 Beam Watch 高功率激光

焦斑测量仪及测量结果示意

结论

汽车行业只是激光加工工艺应用蓬勃发展的一个缩影。在微电子与集成电路、消费电子、平板显示、光伏、医疗美容、医用材料及器件加工、航空航天、快速消费品等领域，激光加工都在成为不可或缺的技术手段。实时、准确、便利的激光参数测量不仅能确保产品的高品质和质量一致性，更能提高效率和产能。敬请垂询先锋科技，我们为您提供专业的激光测量和监控方案。