多年來(lái)，激光一直在焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著激光技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和多樣化，它在焊接中的應(yīng)用范圍也在持續(xù)擴(kuò)大。本文概述了高功率激光器在深熔焊接（deep penetration welding）中的應(yīng)用， 其中特別介紹了Coherent | Rofin公司在焊接用光纖激光源方面的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用。
傳統(tǒng)焊接概述
目前使用的大部分傳統(tǒng)（非激光）焊接技術(shù)都源自電弧焊。在使用這類(lèi)焊接時(shí)，首先要使兩塊金屬接觸或緊密靠近，通常，金屬的邊緣可能已經(jīng)過(guò)成型處理，以方便焊接。電焊條和接觸區(qū)域之間形成高壓，從而產(chǎn)生可熔化焊接材料（或者，在某些情況下熔化其他焊補(bǔ)材料或焊條本身）的電弧。熔化的焊接材料填充或覆蓋工件之間的所有縫隙，凝固后將各部分結(jié)合在一起。
大部分電弧焊方法的主要優(yōu)點(diǎn)是它們具有相對(duì)較低的成本，尤其是在固定設(shè)備費(fèi)用方面。而且，電弧焊技術(shù)接受度高，應(yīng)用廣泛，并已建立完善的生產(chǎn)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)即可應(yīng)用相關(guān)的工藝。
而電弧焊的主要缺點(diǎn)在于會(huì)讓部件承受高溫。這會(huì)在熔化的焊接材料中形成金相組織，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低，而且焊縫附近的熱影響區(qū)域相對(duì)較大。此外，電弧的直徑受局部電場(chǎng)的影響，因此無(wú)法獨(dú)立設(shè)定。
激光深熔焊接
大部分激光焊接技術(shù)可以歸入兩個(gè)基本類(lèi)，即“深熔”焊接和“熱傳導(dǎo)”焊接。這兩種焊接模式既可以自熔（即，不使用焊補(bǔ)材料）方式進(jìn)行，也可以在需要時(shí)使用焊補(bǔ)材料。
深熔，或稱(chēng)作深度穿透焊接。常見(jiàn)于以高激光功率焊接較厚的材料。在深熔焊接中，激光聚焦在一起從而在工件上形成極高的功率密度。事實(shí)上，激光束聚焦的部位會(huì)使金屬氣化，令金屬熔池中出現(xiàn)一個(gè)盲孔（即深熔孔）。金屬蒸氣壓力會(huì)擋住周?chē)刍慕饘?，使盲孔在焊接過(guò)程中始終處于開(kāi)口狀態(tài)。激光功率主要在蒸氣與熔體邊界和深熔孔壁處被熔體吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接軌跡持續(xù)移動(dòng)。焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊縫。
微小的深熔孔區(qū)域形成精確的窄熔化區(qū)，與電弧焊方法相比，它具有較高的縱橫比（深度與寬度之比）。而且，高度集中的熱量意味著工件的基體可以起到有效的散熱作用，因此，焊接區(qū)域能夠迅速地升溫和冷卻。這可在最大程度上減小受高溫影響的區(qū)域面積，并降低晶粒生長(zhǎng)。因此，激光產(chǎn)生的焊縫通常比電弧焊強(qiáng)度更高，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)之一。
激光焊接還能提供比電弧焊更好的靈活性，因?yàn)樗梢杂糜诖罅坎牧?，包括碳鋼、高?qiáng)鋼、不銹鋼、鈦、鋁，以及貴金屬。由于材料熔化溫度差異和熱傳導(dǎo)不會(huì)對(duì)焊接過(guò)程造成明顯影響，因此激光焊接還可以用于焊接異種材料。
此外，如果考慮所有的加工步驟，激光焊接相較傳統(tǒng)方法有著明顯的成本優(yōu)勢(shì)，特別是精確的熱量應(yīng)用可以最大程度降低焊接點(diǎn)和整個(gè)部件的變形。因此在許多情況下，不必進(jìn)行后期加工。不僅如此，激光焊接還能在較長(zhǎng)距離上投射激光束，而且基本上沒(méi)有功率損失，這使之易于融入其他生產(chǎn)流程，而且能夠很好地與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行集成。最后，它還能以更小的法蘭尺寸實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)品配置，這對(duì)輕型汽車(chē)而言至關(guān)重要。
焊接用光纖激光器
目前，二氧化碳和光纖激光器可以輕松滿(mǎn)足深熔焊接對(duì)激光束參數(shù)和功率的要求。由于絕大多數(shù)金屬的吸收性隨著波長(zhǎng)的縮短而提高，因此，與波長(zhǎng)為10.6微米的二氧化碳激光器相比，波長(zhǎng)約為1微米的光纖激光器可以提供更高的加工效率。
圖 1：Coherent | Rofin 光纖激光振蕩器原理圖，包括12 個(gè)半導(dǎo)體激光 器泵浦模塊和6x1 光纖耦合模塊，后者將泵浦光注入增益光纖，使得激 光束可以高效地輸出。
尤其是，光纖激光器能極好地滿(mǎn)足深熔焊接的要求。它們提供的輸出功率一般在500瓦到10千瓦之間，而且可以輕易地將焊點(diǎn)直徑聚焦在40微米到800微米之間的必要范圍內(nèi)，即使在相對(duì)較大的加工距離上也能實(shí)現(xiàn)。從實(shí)踐的角度來(lái)看，使用激光束傳輸光纖可擴(kuò)大集成選擇，促進(jìn)激光器在生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用。最后，光纖激光器具有高可靠性、卓越的正常運(yùn)行時(shí)間和較低的購(gòu)置成本等特點(diǎn)，這使之成為一種經(jīng)濟(jì)可行且有吸引力的生產(chǎn)焊接應(yīng)用選擇。
目前有多家制造商正生產(chǎn)用于焊接和其他材料加工應(yīng)用的高功率光纖激光器。其中，Coherent | Rofin公司的光纖激光器專(zhuān)為統(tǒng)和提供性能、可靠性、輕松集成和成本特性而設(shè)計(jì)，是焊接和其他材料加工應(yīng)用的最佳選擇。
而他們是如何做到的？從圖紙上不難發(fā)現(xiàn)，Coherent | Rofin采用的是光纖激光振蕩器的主要元件。激光諧振腔采用大模場(chǎng)面積（LMA）摻鐿雙包層光纖制成，腔鏡采用光纖布拉格光柵。它通過(guò)一系列半導(dǎo)體激光器泵浦模塊從各自的末端泵送，輸出的激光光纖耦合入增益光纖。
根據(jù)此設(shè)計(jì)，一套泵浦和增益光纖可以產(chǎn)生高達(dá)3千瓦的輸出功率。然后，其中最多四臺(tái)單模光纖激光單元輸出的激光合束到一條多模光纖中，從而產(chǎn)生最高10千瓦的功率。另一方面，Coherent | Rofin“標(biāo)準(zhǔn)”機(jī)柜支持通過(guò)使用集成的光纖分光器，將一臺(tái)光纖激光器輸出的激光分配到四條獨(dú)立的光纖中。
因此，這種模塊化的構(gòu)建方法讓Coherent | Rofin能夠在輸出功率、傳輸光纖直徑和光束參數(shù)方面提供多種選擇。這帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是能夠迅速調(diào)整激光束的特性，從而精確匹配具體工藝的確切要求。
在加工純銅和黃銅等反射性較強(qiáng)的金屬時(shí)，一些用戶(hù)遇到了因背向反射而導(dǎo)致光纖激光器損壞或工藝一致性差的情況。Coherent | Rofin激光器在系統(tǒng)內(nèi)的不同位置使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的功率生成及傳輸技術(shù)和傳感器，來(lái)保護(hù)激光器元件避免出現(xiàn)此類(lèi)損壞。這些保護(hù)措施解決了背向反射的問(wèn)題，并允許可靠地焊接黃銅、鋁和純銅，而不必?fù)?dān)心損壞激光器。
當(dāng)然，光纖激光器只是整個(gè)焊接系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，這個(gè)系統(tǒng)還包括激光束聚焦焊接頭和電子控制裝置。除了光纖激光器之外，Coherent | Rofin還提供安裝在客戶(hù)機(jī)器中的激光束傳輸組件。這些組件可能是固定的光學(xué)器件或完整的集成掃描解決方案（包括控制所有相關(guān)激光參數(shù)的組件），用于對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行全面優(yōu)化。此外，這些集成解決方案通常采用快速且靈活的激光束掃描技術(shù)，能讓激光束從一個(gè)焊接輪廓迅速移動(dòng)到下一個(gè)焊接輪廓。這極大地提高了激光加工系統(tǒng)的工作效率。
從毛巾架散熱器制造看懂激光焊接
加熱毛巾的蒸汽散熱器被廣泛用于世界各地的健身房和溫泉浴場(chǎng)。目前，俄羅斯一家制造商采用荷蘭專(zhuān)用機(jī)器制造商Rodomach研發(fā)的自動(dòng)焊接系統(tǒng)生產(chǎn)毛巾架散熱器，該系統(tǒng)正是基于Coherent | Rofin光纖激光器。
之前，該散熱器制造商在生產(chǎn)中使用的是傳統(tǒng)的手動(dòng)TIG（鎢極隋性氣體）電弧焊法。它的目標(biāo)為將所有生產(chǎn)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化系統(tǒng)。這意味著，生產(chǎn)流程必須能夠適應(yīng)各種不同的產(chǎn)品配置，包括使用圓管的型號(hào)，以及使用其他形狀的管道的型號(hào)。對(duì)于所有產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，所需的焊接深度是管道厚度的100%，而且最后組裝必須承受25巴的氣壓。在這種應(yīng)用中，產(chǎn)品外觀同樣至關(guān)重要。該制造商希望得到均勻、平滑的焊縫，這樣才能吸引顧客，而且不需要再進(jìn)行后期加工。平滑的焊縫是必不可少的，因?yàn)樗麄兊淖詈笠粋€(gè)生產(chǎn)步驟是電解拋光，讓不銹鋼散熱器呈現(xiàn)鏡面般的光潔度。
圖 2：兩種型號(hào)的毛巾架散熱器，由俄羅斯制造商使用 Rodomach 的自動(dòng)焊接系統(tǒng)生產(chǎn)，該系統(tǒng)基于 Coherent | Rofin 光纖激光器。
為了開(kāi)發(fā)適用于此工藝的激光解決方案，Coherent | Rofin 在其漢堡應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室針對(duì)Rodomach進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該散熱器制造商使用的奧氏體AISI 304鉻鎳合金鋼便于進(jìn)行激光焊接。然而，在整個(gè)操作過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)工裝無(wú)法確保部件之間的最佳契合，因此無(wú)法保證獲得均勻一致的優(yōu)質(zhì)焊縫。
考慮及此，Coherent | Rofin和Rodomach決定設(shè)計(jì)一種夾持部件，從而在焊接過(guò)程中既能確保焊接的一致性，又能同時(shí)防止部件變形。這一解決方案為使用集成了冷卻功能的伺服控制夾持機(jī)構(gòu)，取代用于焊接的傳統(tǒng)靜態(tài)夾具。值得一提的是，所有焊接點(diǎn)上還可以平衡地夾住部件，同時(shí)冷卻功能可以防止焊縫變形。
圖 3：完整的毛巾架散熱器自動(dòng)焊接系統(tǒng)。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，Coherent | Rofin工作人員還推薦配備300微米傳輸光纖的2千瓦光纖激光器 （Coherent | Rofin FL 020），以及焦距為300毫米的聚焦光學(xué)器件，作為面向此應(yīng)用的最佳配置。這種光學(xué)配置可提供長(zhǎng)視野深度，能讓客戶(hù)實(shí)現(xiàn)較高的工藝容差。其結(jié)果是減少?gòu)U料，并提高工作效率。
Rodomach對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了配置，這樣一來(lái)，通過(guò)使用分光器，一臺(tái)Coherent | Rofin 光纖激光器可以為兩個(gè)機(jī)器人焊接站（交替加工散熱器的兩面）提供激光。“我們通過(guò)一個(gè)終端合并控制系統(tǒng)、兩個(gè)機(jī)器人和激光器。”Rodomach公司經(jīng)理Roel Doornebosch說(shuō)，“由于嚴(yán)格的質(zhì)量要求，一開(kāi)始客戶(hù)擔(dān)心系統(tǒng)的操作會(huì)非常復(fù)雜，而這恰恰可以簡(jiǎn)化他們的操作。我們提供的最終系統(tǒng)以2米/分鐘的速度進(jìn)行焊接，形成的焊接點(diǎn)可以承受250巴的蒸汽壓力，是原始規(guī)格的10倍。另外，焊接質(zhì)量和蓋面持續(xù)保持在高水準(zhǔn)。鑒于他們?cè)谑褂玫谝粋€(gè)系統(tǒng)后又訂購(gòu)了另外兩個(gè)系統(tǒng)，我認(rèn)為是成功滿(mǎn)足甚至超過(guò)了他們的預(yù)期。”
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