在工業(yè)焊接領(lǐng)域，激光焊接由于其獨特的優(yōu)勢日益引起各國的重視。隨著激光器的快速發(fā)展，光纖激光器不僅在焊接質(zhì)量和經(jīng)濟性上超越了其他的傳統(tǒng)焊接加工方式，且在經(jīng)濟性上也能得到很大的提升，焊接金屬和合金能夠獲得更多的新功能和更高的靈活性，應(yīng)用越來越廣泛。高功率光纖激光器穩(wěn)定性好，光束質(zhì)量高，而且使用方法簡便，可實現(xiàn)免維護，在汽車、船舶和航空等制造行業(yè)已經(jīng)得到成功應(yīng)用，有迅速替代傳統(tǒng)的YAG和CO2 激光器的趨勢。
目前，高功率光纖激光器已成功應(yīng)用于低碳鋼、低合金高強鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳基合金等黑色和有色金屬材料的焊接， 取得了豐富的研究成果。光纖激光器作為一種新型激光焊接設(shè)備，具有更高光束質(zhì)量和輸出功率，其焊接行為和焊接特征與氣體激光器差別較大，還有待進一步深入研究。本文重點介紹高功率光纖激光焊接特點、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢。
高功率光纖激光焊的特征及優(yōu)勢
光纖激光以光纖作為工作介質(zhì)，其激光波長為1.07 μm，目前，摻鐿光纖激光器最高輸出功率可達100 kW。由于光纖激光波長為CO2 激光的1/10，焦點光斑直徑也較小，因此，光纖激光與CO2激光的焊接特性呈現(xiàn)多方面差異， 有資料表明這種差異與不同波長激光和材料間的耦合特性相關(guān)，具體表現(xiàn)在等離子體和匙孔行為及其耦合作用、材料對激光能量的吸收、焊縫成形及焊接缺陷等。
一方面，由于材料對激光的吸收與材料種類和激光的波長有關(guān)，輻射激光波長越短、材料導(dǎo)電性越差，金屬對入射激光的吸收率越高。特別是鋁合金激光焊接深熔閾值與激光器波長及光束質(zhì)量密切相關(guān)，光束質(zhì)量越好，激光波長越短，則激光深熔閾值越小，因而針對同種合金，相比于CO2 激光，采用光纖激光更易獲得大的熔深。
徐國建等對比研究了光纖激光器和CO2激光器的焊接特性，發(fā)現(xiàn)當焊接速度和輸出功率相同時，光纖激光比CO2激光焊接可獲得更大的熔深及更窄的熔寬；在負離焦條件下，CO2 激光焊接的熔深減小比率大于光纖激光焊接。另外，有研究學者也發(fā)現(xiàn)兩種激光器焊接的熔化效率均隨焊接速度先增加后減小，分析表明兩種激光焊接熔化效率的差異與激光能量耦合的固有規(guī)律不同有關(guān)。因此，從焊接效率上考慮，光纖激光器更適合于高速焊接，而 CO2激光器更適合于低速焊接。
Gresev和 Kawahito 等分別對CO2 激光和光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體形貌進行了觀察，結(jié)果如圖 1 所示。光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體溫度場、形態(tài)、面積等特征參數(shù)與CO2 激光不同，導(dǎo)致光纖激光焊接過程匙孔和等離子體的動態(tài)行為及物理特性必與氣體激光區(qū)別較大。
圖1 不同激光焊接金屬蒸汽/等離子體形貌
高功率光纖激光相對于其他類型的激光器具有在極高功率下保證良好的光束質(zhì)量的特點， 能夠?qū)崿F(xiàn)更大熔深的焊接，且利用光纖傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠程柔性加工，在焊接工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，日益引起各國的重視。然而，光纖激光焊接特性與其他激光不同，目前對光纖激光焊接過程相關(guān)機理的研究和認識還不夠深入，仍需相關(guān)研究人員圍繞光纖激光焊接特性進行相關(guān)的研究工作。
薄板的高功率光纖激光焊接
光纖激光焊接具有高的光束質(zhì)量和焊接效率，較易實現(xiàn)鋼和鋁合金等薄板的焊接，焊接過程穩(wěn)定，且焊接質(zhì)量較好，已在汽車等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。由于薄鋼板激光焊接工藝較為成熟，焊接難度不大，目前，對薄板光纖激光焊接的研究主要集中在對激光反射較大的鋁合金和鈦合金等有色金屬材料上。
CuiLi等采用光纖激光-MIG 復(fù)合焊接技術(shù)焊接了1.5 mm厚工業(yè)純鈦，發(fā)現(xiàn)電流、焊接速度、絲光距、離焦量等工藝參數(shù)對焊縫表面形貌、熔寬和接頭伸長率有重要影響，而對其抗拉強度影響不大。另有研究發(fā)現(xiàn)，光纖激光焊TC4 鈦合金薄板的焊縫背寬比常常大于 YAG激光焊縫，焊接接頭的強度和塑性均高于YAG激光焊接接頭。
VSchultz等利用 IPGYLR-1000SM激光器采用填絲焊的方法焊接了1 mm厚鋁合金，發(fā)現(xiàn)對接間隙小于板厚時，工藝選擇范圍較寬，且能獲得高質(zhì)量焊縫；通過調(diào)整工藝，間隙為板厚度的315%時，能夠?qū)崿F(xiàn)搭接，對接板搭橋能力受所焊材料和焊絲成分的影響較大。
GCasalino等采用光纖激光 -MIG 復(fù)合焊接進行3 mm厚AA5754 鋁合金焊接，發(fā)現(xiàn)高的激光功率有利于焊接過程的穩(wěn)定性并能夠獲得良好焊縫的結(jié)構(gòu)和幾何性能，而低的電流和電壓在熱影響區(qū)能獲得更低的殘余應(yīng)力。
與其他類型的激光器相比，光纖激光焊接具有能量更為集中、焊接變形更小和柔性更高等優(yōu)點，與其他熱源進行復(fù)合或填絲能大大降低對接焊時的間隙裕度，減少焊接缺陷，提高接頭性能等，能較好地保證薄板的焊接質(zhì)量。對輕量化要求較高的航空航天領(lǐng)域利用激光焊接輕質(zhì)材料薄板具有更大的優(yōu)勢，其中，鋁合金等薄板材料的光纖激光焊接已成為各國航空界研究的焦點。因此，隨著薄板材料光纖激光焊接技術(shù)的成熟，光纖激光在薄板焊接中的應(yīng)用將會獲得更大的發(fā)展空間。
中厚板的高功率光纖激光焊接
多年來，焊接研究者一直在探索利用激光焊接厚板，但是嚴格的裝配要求、焊縫力學性能以及大功率激光器的高成本限制了厚板激光焊的應(yīng)用。與傳統(tǒng)CO2 激光焊接工藝相比，光纖激光厚板焊接工藝具有明顯的優(yōu)勢，這主要得益于金屬材料對波長為1070 nm光纖激光的反射系數(shù)更低，特別在焊接鋁、銅等高反射系數(shù)金屬材料時的優(yōu)勢尤其明顯。光纖激光的高亮度特性可以顯著降低焊接過程對焦點位置的敏感性，從而降低了實現(xiàn)高質(zhì)量焊接的難度。另外，光纖激光與電弧復(fù)合焊接厚板能夠顯著降低工件熱變形現(xiàn)象，改善焊縫外觀并增加熔深。
光纖激光深熔焊接中厚板材料時，極高的激光功率和極快的焊接速度，使得材料在極短的時間內(nèi)被加熱、升溫、熔化并發(fā)生劇烈的氣化，焊接區(qū)域溫度梯度的變化、加熱和冷卻速率極快，即焊接熱循環(huán)特性與其他焊接方法和低功率激光焊接不盡相同，使得焊接接頭組織特征和性能都將發(fā)生變化，必將影響焊接結(jié)構(gòu)件的力學性能及失效行為。中厚板的光纖激光焊接國內(nèi)外已取得了一定的研究成果，但還處在應(yīng)用初期，焊接過程仍存在較多的問題沒有解決，如焊接過程穩(wěn)定性和缺陷抑制等，仍需開展系統(tǒng)深入的研究。
Mikhail Sokolov 等利用 IPGYLR 15000激光器對接焊20 mm厚低合金高強鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫熔深和接頭側(cè)面粗糙度緊密相關(guān)，當表面粗糙度 Ra=6.3 μm時，能夠獲得最大熔深。
MGrupp等利用 IPT YLR-30000 激光器實現(xiàn)了大于30 mm熔深的304不銹鋼焊接，焊縫形貌和電子束焊接相差不大，但激光焊接不需要真空環(huán)境，沒有焊縫尺寸的限制。并預(yù)測激光輸出功率達到50 kW，就能獲得超過60 mm熔深。
SeijiKatayama等利用 IPTYLR-30000 激光器進行304不銹鋼和5052鋁合金焊接，發(fā)現(xiàn)在高速下激光功率密度對熔深的影響較大，而在低速下只有更高的激光功率才能獲得更大的熔深。焊接過程等離子體的動態(tài)行為與焊縫熔深的變化及飛濺、未熔合、氣孔和駝峰等缺陷的產(chǎn)生密切相關(guān)。
ZhangMingjun 等采用IPGYLS-10000 光纖激光器進行12 mm厚304不銹鋼板焊接，發(fā)現(xiàn)離焦量是萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板過程中一個關(guān)鍵工藝參數(shù)。
飛濺產(chǎn)生的主要驅(qū)動力是小孔內(nèi)蒸發(fā)蒸汽反沖壓力和高速噴射的金屬蒸汽 / 等離子體對小孔壁的摩擦力。圖2為12 mm厚不銹鋼光纖激光熔透焊焊縫形貌(焊縫背面駝峰缺陷)，只有采用輔助手段淵強制背面快速冷卻冤才能避免此類缺陷，如背面保護措施。
Cao等利用光纖激光 -MAG 焊接方法進行了低合金高強鋼厚板焊接，能夠獲得窄的焊縫和熱影響區(qū)，且焊接殘余應(yīng)力和變形較小，復(fù)合焊接的熱輸入大于激光焊而小于 MAG焊接，MAG電弧的加入有利于增加焊縫熔深和提高焊接速度的。這種復(fù)合焊接方法已被成功用于焊接9.3 mm厚低合金高強鋼板。
Zhang 等研究了10 kW光纖激光焊接厚板過程焊接參數(shù)對焊縫成形的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，采用特殊的側(cè)吹保護，在激光功率和焊接速度分別為10 kW和0.3m/min時，可以使得焊縫熔深從18.2 mm 增大到24.5 mm。 隨后開設(shè)雙面Y型坡口，先后采用激光自熔焊對接打底，然后多道激光填絲焊接工藝，實現(xiàn)50 mm不銹鋼板的良好連接。
高功率光纖激光焊接的問題及發(fā)展趨勢
光纖激光器是焊接領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高速、大熔深焊接最合適的熱源之一。然而，大型工程項目焊接對于激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高。為了從根本上保證焊接接頭質(zhì)量，必須對光纖激光焊接機理進行完整、透徹的理解及相關(guān)焊接輔助設(shè)備的開發(fā)。目前，高功率光纖激光焊接的研究主要存在以下幾方面的問題：
●中厚板光纖激光焊接過程易出現(xiàn)飛濺、表面塌陷與底部駝峰和釘子頭焊縫、焊縫表面成形一致性差等缺陷，焊接穩(wěn)定工藝窗口較窄，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和焊縫成形的可靠性仍有待提高， 相關(guān)機理及解決措施仍需完善。
●不同專業(yè)需求領(lǐng)域的專用配套大型精密控制光纖激光焊接設(shè)備缺失，配套技術(shù)缺乏，特別是激光加工外圍裝置，如導(dǎo)光系統(tǒng)，過程實時監(jiān)測和控制、噴嘴、浮動裝置。
●光纖激光焊接相關(guān)的工藝研究及焊接過程參數(shù)監(jiān)測及材料和控制技術(shù)研究仍不足，多數(shù)都停留在試驗室階段，離工業(yè)化應(yīng)用較遠。
●光纖激光-電弧復(fù)合焊在提高焊接靈活程度的同時也增加了工藝的復(fù)雜程度，控制和調(diào)節(jié)影響焊接接頭質(zhì)量的參數(shù)就非常關(guān)鍵，這需要大量系統(tǒng)的工藝試驗建立數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)。
雖然高功率激光焊接技術(shù)存在上述問題，但其優(yōu)勢明顯，體積小、質(zhì)量輕，可直接搭載機器人進行焊接，也可用光纖傳送焊接，具有更高的加工精度和加工速度，同時能夠焊接的材料種類將逐步增多，焊接厚度將進一步增加。另外，其輸出功率控制特性好，結(jié)構(gòu)極為緊湊，維護簡單，這些特點使光纖激光器在自動化的激光焊接系統(tǒng)中顯示出巨大的生命力，必將成為激光焊接的重要發(fā)展方向。
結(jié)語
大功率光纖激光焊接技術(shù)能夠滿足高適應(yīng)性、高效率和低成本的現(xiàn)代激光焊接發(fā)展要求，已成為國內(nèi)外研究、應(yīng)用的熱點。光纖激光焊接技術(shù)已經(jīng)在汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用，并隨著研究的深入，高效、優(yōu)質(zhì)、高適應(yīng)性的光纖激光焊接技術(shù)將會在工業(yè)焊接領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。
參考文獻：凌純，孟威.高功率光纖激光焊接研究現(xiàn)狀及展望［J］.熱加工工藝，2017，46：15-18
封面圖片來源：www.rofin.com
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