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高功率光纤激光器在焊接领域的作用有哪些?

2020

07/16 15:50:09
小郭 www.nznsy.cn
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  高功率光纤激光器,是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言,它巧妙地把光纤技术与激光原理有机地结合在一起,是21世纪最先进和最犀利的激光器。在机械加工、激光医疗、汽车制造和军事等行业中属于高强度光源。

  与传统高功率激光器相比,工作波长在1060~1200nm范围内的高功率光纤激光器,具有转换效率高、光束质量好、维护周期长、运行费用低等优点,其极高的效率和功率在材料加工方面可与传统的YAG激光器相媲美。在焊接领域,激光软焊和烧结所需的功率为50-500W,金属焊接和硬焊为5-20kW,高功率光纤激光器完全能够满足其要求。

  在工业应用方面,高功率表光纤激光器在市场上较为广阔的应用领域是激光加工技术。激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。与机械加工相比,激光加工具有加工对象广、非接触加工、公害小、速度快、可自动控制等优点,被誉为“未来制造系统的共同加工手段。

  近年来,高功率光纤激光器实现了快速发展,在工业应用领域已经表现出极佳优势特性,可提供超高的功率密度峰值,能达到几个MW/mm2量级,这对于工业激光焊接而言至关重要。

  02高功率光纤激光器的焊接优势及应用领域

  相对于其他类型的激光器,高功率光纤激光器具有在极高功率下保证良好的光束质量的特点,能够实现更大熔深的焊接,且利用光纤传输能够实现远程柔性加工,在焊接工程领域应用越来越广泛,日益引起各国的重视。目前,高功率光纤激光器已成功应用于低碳钢、低合金高强钢、不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍基合金等黑色和有色金属材料的焊接,取得了丰富的研究成果。

  光纤激光焊接机是以光纤作为工作介质,其激光波长为1.07μm。目前,掺镱光纤激光器最高输出功率可达100kW。由于光纤激光波长为CO2激光的1/10,焦点光斑直径也较小,因此,光纤激光与CO2激光的焊接特性呈现多方面差异,有资料表明这种差异与不同波长激光和材料间的耦合特性相关,具体表现在等离子体和匙孔行为及其耦合作用、材料对激光能量的吸收、焊缝成形及焊接缺陷等。

  当前,高功率光纤激光器商用的功率达到了几千瓦级,甚至达到万瓦级别,这是其它激光器达不到的功率。同时,光纤激光器还拥有相当明显的技术优势,其光束质量好,免维护,重量轻,而且均采用风冷的方式,运行成本较低,对工业生产应用环境应用性强,特别是其加工工艺水平与加工效率更是让其它激光器望尘莫及。同时,实现自动化,智能化与机械运行机构相结合,显得柔性更加充足。因而,在高端汽车制造,航天航空,船舶等金属与非金属的制造业中得到广泛的应用。

  典型应用

  国际上选用光纤激光焊接技能应用在在造船、轿车制作业上。在欧美发达国家中,大约有50%—70%的轿车零部件都用到了激光加工技能,并以激光焊接和激光切割为主。上海大众等轿车制作厂也选用激光加工技能焊接车身与箱体等部件。

  车身焊接的优点:

  车身激光焊接主要有加热范围集中且精确可控、焊接变形小、焊接速度快等特点。激光焊接与常见的电弧焊对比,激光光斑直径可以精确控制,通常照射在材料表面的光斑直径在0.2-0.6mm的范围内,且越靠近光斑中心的位置能量越高(能量从中心到边缘呈指数衰减,即高斯分布),激光焊的焊缝宽度可以控制在2mm以下。由于激光焊接的能量很集中,从而熔化的材料少,需要的总热量小,因此焊接变形小,焊接速度快。

  1)上海大众轿车制作

  与传统的焊接技术相比,大众激光焊接工艺有所不同,激光焊接技术使不同钢板之间的链接达到分子层面的结合;在焊接后,原不同的钢板相当于一整块钢板。这一技术具有诸多优势,如焊接装置与焊件无机械接触,降低对工件的污染;加热集中,能量密度大;热影响区小,产生的热变形和热损伤少;焊缝美观,焊缝强度大;通过数控,能精确控制能量输出,焊接速度快,生产率高等。它不仅给车身加工带来了更高的精度和效率,同时也使车身的刚度及强度得到大幅提升,车辆行驶舒适性、稳定性、振动机噪音均得到明显改善。

  2)大型船厂加工

  欧美及日本主要的大型船厂已很多选用激光加工技能,例如美国在最新缔造的新型船只上广泛运用高强度,低合金钢的T型构件,选用激光焊接技能,使船只的分量大大降低。船体平板为了习惯海洋流力学的需求,都被规划成具有杂乱的三维曲率形状,激光辅佐平板成型技能能够替代吃力、费时、具有必定的危险性的机械加热成型技能,运用前景良好。日本的Kawasaki重工等造船公司现已安装了高功率激光平板切开体系。

  在船舶制造中,适合进行激光焊接的部位主要有船舶甲板及舱壁,因为船舶甲板及舱壁焊缝平直、长度长,且以平板对接及T型接头为主,由于美观需要,其焊缝要求成形好、焊后板材的变形量小,激光焊接当是首选。

  船舶全位焊接时,激光焊接工艺不仅可以对相同材质进行焊接,还可以对不同厚度材料进行焊接。钢板激光焊接过程中,出现缺陷会及时报警,以便及时重焊,避免发生断带现象。并且在焊前装配状态及拼缝位置、焊接过程的稳定性、焊后焊缝质量等的在线检测,对可能导致焊接缺陷、拼缝位置偏离等进行预报。

  在造船过程中,加工的材料大多数为3~12mm厚的板材,这些板材焊接件由于焊接过程中较大热输入而发生翘曲和变形是传统造船方法中所面临的主要问题。在建造船身的时候,约25%的工作量是对船板整形和锤平,需要达到要求的平整度和曲率,这样才使得船板能固定在一起。

  激光焊接技术用于造船的主要优势就是低变形。目前,激光焊接结构用夹层板、角型材、T型材、十字型材和对接焊接船板等已经为世界造船界所接受。

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