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佛山市中恒三禾激光科技有限公司
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摘要：簡要介紹了激光及激光器的原理和發(fā)展?fàn)顩r，比較了幾種常用的焊接激光器；指出激光焊接機(jī)器人和激光電弧復(fù)合熱源焊接是激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向；列舉了激光焊接技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：激光；焊接激光器；激光焊接機(jī)器人；復(fù)合焊接
前言
激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光指在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級能量差的光子作用下，誘導(dǎo)在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)發(fā)射出相同能量的光子。其產(chǎn)生的基本條件包括泵浦源、激活介質(zhì)和諧振腔等。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點(diǎn)。
愛恩斯坦于1917年就已經(jīng)提出了受激發(fā)射的基礎(chǔ)理論，但真正具有應(yīng)用價(jià)值的激光器的出現(xiàn)卻遲后了幾十年。1960年第一臺紅寶石激光器出現(xiàn)，1983年1 kW CO2氣體激光器首次上市，1990年出現(xiàn)了10 kW CO2氣體激光器，1993年1kW Nd:YAG固體激光器首次上市，1994年2kW Nd:YAG固體激光器上市，1995年3kW Nd:YAG固體激光器上市，同年出現(xiàn)30kW CO2氣體激光器。近年來，不斷有不同類型的大功率激光器的上市。目前在焊接領(lǐng)域能實(shí)用的CO2氣體激光器的最大功率約為30 kw，固體激光器約為10 kw。
1 焊接激光器
由于激光具有非常好的優(yōu)點(diǎn)，上世紀(jì)70年代，激光技術(shù)就已經(jīng)開始在焊接領(lǐng)域應(yīng)用，目前在焊接方法領(lǐng)域的研究比例中，激光焊接約占20％，僅次于氣體保護(hù)焊。焊接用激光器要求功率密度高（104 -1015 W/cm2）、功率密度分布呈基模態(tài)、光束質(zhì)量好。常用的焊接激光器主要包括如下幾種：CO2氣體激光器、Nd:YAG激光器、光纖激光器、碟形YAG激光器和半導(dǎo)體陣列激光器等。表1為幾種焊接激光器性能參數(shù)的比較。
表1 幾種焊接激光器性能參數(shù)的比較
|
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CO2激光器 |
燈泵浦Nd:YAG |
激光泵浦Nd:YAG |
光纖激光器（激光泵浦） |
碟型激光器（激光泵浦） |
半導(dǎo)體激光器 |
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激光介質(zhì) |
混合氣體 |
晶體棒 |
晶體棒 |
光纖（鐿） |
晶體薄碟 |
半導(dǎo)體陣列 |
|
波長nm |
10,600 |
1,060 |
1,060 |
1,070 |
1,030 |
800~960 |
|
光束傳輸 |
鏡片 |
光纖 |
光纖 |
光纖 |
光纖 |
鏡片 |
|
輸出功率kW |
20 |
4 |
6 |
10 |
4 |
6 |
|
光束質(zhì)量mm.mrad |
25 |
12 |
12 |
5 |
2.5 |
80 |
|
能量效率% |
10 |
3 |
10 |
20 |
20 |
35 |
2 激光焊接機(jī)器人
將激光用于焊接機(jī)器人是激光焊接的一種重要形式。焊接機(jī)器人具有多自由度、編程靈活、自動(dòng)化程度高、柔性程度高等特點(diǎn)，是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。將激光器安裝在
焊接機(jī)器人上進(jìn)行焊接，大大提高了焊接機(jī)器人的焊接質(zhì)量和適用范圍，在船板、汽車生產(chǎn)線中激光焊接機(jī)器人具有越來越重要的地位。圖1為CO2激光焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接的示意圖。
圖1 CO2激光焊接機(jī)器人
3 激光電弧聯(lián)合焊接法
激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接線能量低、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑?。?.2~0.6 mm）和能量密度高（106 W/cm2）的特點(diǎn)，但是對焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現(xiàn)氣孔、裂縫和咬邊等缺陷，設(shè)備投資大，能量轉(zhuǎn)換效率低。而常規(guī)的熔化極電弧焊雖然焊接速度慢、焊接線能量大、熔深小、熱影響區(qū)大、焊接變形大，但是設(shè)備投資小，對間隙不敏感，能填充金屬。因此，近年來激光焊接的發(fā)展趨勢之一就是采用激光＋電弧的聯(lián)合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)點(diǎn)集中起來，彌補(bǔ)單熱源焊接工藝的不足。圖2為激光和電弧復(fù)合熱源的焊接示意圖。圖3為三種焊接條件下的焊縫熔深的對比，上面那幀圖像為電弧焊的熔深、中間為激光焊的熔深、下面為激光＋電弧復(fù)合熱源的熔深，從中可以看出，復(fù)合熱源的焊縫具有很好的焊縫熔深和深寬比。
圖2 激光+電弧復(fù)合熱源焊接示意圖
圖3 三種焊接條件下的焊縫熔深
目前激光-電弧聯(lián)合焊的種類主要有如下三種：
(1) 百瓦級激光能量+電弧復(fù)合。熱源顯示為電弧的特性，激光功率能量比較?。èQ500W），激光主要起穩(wěn)定和壓縮電弧、提高電弧能量利用率的作用，多用于激光+TIG的復(fù)合焊接，比較適合薄板焊接。
(2) 千瓦級激光能量+電弧復(fù)合。熱源兼有激光和電弧的特性，能夠充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，多用于激光+MIG/MAG的復(fù)合焊。適用于鋁合金、鎂合金、碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼等材料的焊接。
(3) 萬瓦級激光能量+電弧復(fù)合。熱源顯示激光的特點(diǎn)，具有較大的焊縫深寬比，大多采用大功率的CO2激光與MAG焊的復(fù)合，難以實(shí)現(xiàn)全位置柔性化焊接，主要用于船板等大厚板的焊接，設(shè)備投資較大。
圖4為采用復(fù)合熱源進(jìn)行5 mm鋼板焊接的效果圖，激光器采用功率為4kw的YAG激光器，電弧焊的電流為290 A，電壓為29 V，焊接速度可達(dá)到3 m/min。圖5為復(fù)合熱源進(jìn)行5 mm鋁合金焊接的效果圖，同樣采用4 kW的YAG激光器，電弧焊的電流為162 A，電壓為24 V，焊接速度可達(dá)2.5 m/min。焊接質(zhì)量、焊接速度等方面明顯優(yōu)于單熱源焊接的結(jié)果。
圖4 復(fù)合熱源進(jìn)行鋼板焊接的效果圖 圖5 復(fù)合熱源進(jìn)行鋁合金焊接的效果圖
綜上幾點(diǎn)，激光-電弧復(fù)合熱源焊通過兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ), 達(dá)到了1+1>2的效果。 主要優(yōu)點(diǎn)如下：
(1) 焊接能量集中，焊接速度快，熔深大，比激光焊和電弧焊都好；
(2) 電弧過程穩(wěn)定，即使是在小電流條件下如15A的情況下也能穩(wěn)定焊接；
(3) 焊縫成型美觀，變形小，焊后矯正量小，比激光焊好；
(4) 單位線能量低，焊接變形小，與激光焊相當(dāng)；
(5) 對接頭間隙不敏感，比激光焊好很多；
(6) 可以通過焊絲改善焊縫的性能，比激光焊好；
(7) 大擴(kuò)大了激光在工業(yè)中的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了焊接自動(dòng)化程度。
4 激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況
隨著大功率激光器的出現(xiàn)，激光焊接在機(jī)械、汽車、造船、航空航天、鋼鐵、海洋工程、零件表面修復(fù)等工業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。目前歐美及日本的一些造船廠已經(jīng)采用激光焊接技術(shù)，具有典型代表意義的是德國的Meyer造船廠已經(jīng)全部采用激光電弧聯(lián)合焊接方法進(jìn)行輪船的焊接。下面以一組圖片展示激光焊接在工業(yè)中的應(yīng)用情況（見圖6，圖7，圖8，圖9）。
圖6 激光焊接用于德國Meyer船廠船舶生產(chǎn) 圖7 激光焊接用于寶馬汽車生產(chǎn)
圖8 激光焊接用于海洋管道生產(chǎn) 圖9 激光焊接用于1.5噸活塞桿的修復(fù)
5 總結(jié)
(1) 激光焊接技術(shù)是先進(jìn)制造方法之一，可能取代現(xiàn)有的熔焊及火焰切割方法，甚至部分機(jī)加工方法。
(2) 激光焊接機(jī)器人及便攜式激光焊接機(jī)是激光技術(shù)的重要方向。
(3) 激光電弧聯(lián)合焊是一種具有重大前途的工藝方法。
(4) 研制大功率先進(jìn)的激光器，將是發(fā)展激光焊接、切割及加工的重要方向。