用光纖激光焊接金屬和合金正為這個領域帶來更多的新功能和更高的靈活性，這使得許多領先制造商對此投以更多的關注，尤其是在航空航天領域。這些研究及進展主要是開發(fā)和光纖激光焊接2D及3D零部件相關的工藝和系統(tǒng)，包括低、中和大功率的CW及QCW光纖激光器。

在金屬和合金上的應用業(yè)已獲得證實，例如304不銹鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V鈦合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo鈦合金）和鎳基耐高溫合金，包括Inconel 625、Inconel 718和Hastelloy X等高溫合金。憑借其千瓦級的平均功率、1μm的波長與高亮度（光束質(zhì)量），大功率CW和QCW光纖激光器可以提供一種具有新的功能和靈活性的激光光源（圖1）。

 

相比CO2激光焊接，1μm波長的光纖激光器提供的優(yōu)點包括：使用光纜而不需要轉(zhuǎn)動鏡子，這使得光束傳導更為簡單；被金屬吸收得更多，尤其是那些良好的導電物質(zhì)，例如鋁和銅；被焊接熔池上形成的等離子體羽吸收得更少。與大功率Nd:YAG激光器相比，光纖激光器的亮度更高，這意味著激光光束可以根據(jù)需要聚焦為較小的尺寸，這將帶來更高的功率密度。這些因素有助于在相同功率下獲得比其他激光光源更高的熔深和更快的焊接速度。此外還將有助于在種類繁多的金屬和合金中實現(xiàn)更為穩(wěn)定的焊接過程。

在過去的33年中，Laserdyne公司安裝了許多激光焊接機用于航空航天（發(fā)動機和機身）、汽車、電子、液力聯(lián)軸器、醫(yī)療設備等應用領域，使用了CO2和Nd:YAG激光器作為激光光源，而最近更多使用的是光纖激光器。豐富的經(jīng)驗讓Laserdyne公司能夠充分靈活地利用這些激光器來焊接高附加值的零部件。

焊接金屬和合金

用Prima Power Laserdyne的設備在一系列不同的激光參數(shù)和保護氣體條件下進行焊接試驗。使用金相分析（截面）和X射線技術(shù)來記錄激光（光斑尺寸、激光功率等）和加工參數(shù)（保護氣體的類型、氣體流速、送氣方法、焊接速度、焦點位置等）以及最終生成的焊縫形狀和結(jié)構(gòu)之間的關系。例如，試驗闡明了會導致焊縫產(chǎn)生氣孔的因素，以及如何獲得無氣孔的焊縫。這些試驗也說明了激光和加工參數(shù)對焊縫形狀和結(jié)構(gòu)造成的影響。

最近圍繞激光焊接航空航天用合金的應用進行了最全面的研究（圖2）。對這些材料而言，最主要的挑戰(zhàn)在于對連接的要求極為嚴格，焊縫不能有任何裂紋或氣孔。必須確保獲得正確形狀的焊縫以保證在高溫下也具有良好的力學性能。試驗證明，CW和QCW光纖激光器具有焊接航空航天用合金的能力。

 

然而，所面臨的挑戰(zhàn)在于對激光與加工參數(shù)的魯棒性能的設置，這意味著要保證焊縫具有持續(xù)的穩(wěn)定質(zhì)量。Laserdyne針對所有航空航天用合金的焊接應用制定了激光和加工參數(shù)。焊接試驗表明，焊接質(zhì)量不由單個參數(shù)控制，而是通過一系列激光和加工參數(shù)的組合來對焊縫質(zhì)量施加影響。這些研究還表明，在一系列鎳基和鈦基合金中可以比較容易獲得沒有裂紋和氣孔的焊縫。

焊接試驗還包括了填絲焊接。某些合金和異種材料的連接需要額外的填充材料，來控制焊縫金屬的結(jié)構(gòu)，避免裂紋的產(chǎn)生，從而確保獲得所需的力學性能。在其他情況下，填充金屬用于控制焊縫的幾何形狀，讓焊縫熔合區(qū)的表面輕微凸起（加固）。填充材料也用于彌補激光焊接對接接頭結(jié)構(gòu)中匹配不好甚至不匹配的情況。激光填絲焊接過程受到多種參數(shù)的影響，激光和填絲的許多參數(shù)決定了最終生成的焊縫的質(zhì)量。通過上述焊接試驗，和添加填充材料相關的所有重要參數(shù)獲得了優(yōu)化，這樣能確保焊縫的質(zhì)量。

帶來新的系統(tǒng)功能

一個重要的硬件開發(fā)成果是一種新的帶有交叉噴嘴設計的聚焦透鏡組，它可以確保Laserdyne第三代BeamDirector系統(tǒng)（稱為BD3Y）具有緊湊的外形。交叉噴嘴的設計可以提供一種高流速的氣體屏障，以防止焊接區(qū)域的金屬火花污染透鏡的防護滑蓋。這一設計的關鍵在于交叉噴嘴也能避免焊接保護氣體的污染或干擾。交叉噴嘴可以影響到完整的保護氣體送氣設備，包括焊接同軸氣體噴嘴尖端（圖3）。

 

保護氣體襯套將為焊縫區(qū)提供一個可控的熔融區(qū)域，并且在這里將冷卻到該材料不受環(huán)境大氣影響為止。這對于那些對環(huán)境大氣中的氧氣和氮氣具有很強的親和力的焊接材料來說非常重要，例如鈦合金。聚焦透鏡/保護氣體組件的設計為激光焊接帶來的另一個重要好處是，可以通過嵌入式聚焦透鏡來快速調(diào)節(jié)這些組件，以改變聚焦光斑的尺寸。

加強控制以獲得高質(zhì)量焊縫

業(yè)已證明使用Laserdyne S94P控件可以實現(xiàn)新的激光控制功能，尤其是激光功率慢加速控制和亞毫秒級的激光脈沖整形，這將帶來更一致的高質(zhì)量焊縫。它擴展了激光焊接應用的材料范圍，從而提高了激光焊接系統(tǒng)的靈活性。脈沖整形已被證明能有效控制焊縫的形狀和結(jié)構(gòu)。這主要是通過控制焊縫形成以及焊接融合區(qū)和熱影響區(qū)冷卻過程中的溫度分布來實現(xiàn)的。

例如，通過在脈沖的初始部分之后提供較低的脈沖振幅來控制合金的冷卻，它隨著激光融合過程中的快速冷卻會逐漸變硬。另一個例子是對那些反射激光光束的材料使用脈沖整形（在前沿部分保持較高的脈沖振幅）。快速加熱表面會增加對激光光束的吸收，實現(xiàn)更一致的過程。

上述所有功能已經(jīng)標準化，并能在該公司的3軸和7軸系統(tǒng)產(chǎn)品線中實現(xiàn)這些功能。目前這些光纖激光系統(tǒng)上的進展還只是剛剛開始：隨著新用戶的加入，毫無疑問他們獨特的應用及其經(jīng)驗將能幫助整個行業(yè)提升生產(chǎn)力、提高質(zhì)量，并且獲得更大的效益。

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