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東莞市正信激光科技有限公司
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基于高功率光縴激光的復合焊——激光應用的新機遇


1.高功率光縴激光器——效率的大跨步

近年來,人們已經研制出了可用于高功率激光設備的5 kW Nd:YAG激光源,然而,由于電光轉換效率僅有6%,且機身龐大,所以無論是單純的泵浦光源,還是二極管泵浦Nd:YAG激光源,仍不能完勝固態激光源。隨著光縴激光器輸出功率的進一步提高,光縴激光器開始向著原來只能使用CO2激光源的應用領域推進。在過去的三年里,工業領域使用的多種激光源中,光縴激光器的重要性已經開始日益凸顯。

2002年5月,IPG光子公司推出了首款輸出功率達到1 kW的光縴激光器。同年11月份,輸出功率已提升至4 kW。2003年3月,10 kW光縴激光器問世。至此,IPG已經先後推出24款帶有不同輸出功率的光縴激光器,用戶遍及美國、歐洲和亞洲。

波長為1070 nm的摻鐿光縴激光器以其外形小巧,光電轉換效率超過25%,以及極佳的光束質量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內,通過多種光能反饋,生成、引導並操作激光光束。光縴激光器由摻入特定稀土離子(如鐿、鉺、釹、銩等)的玻璃光縴所形成的雙包層線圈構成。泵浦二極管通過多模縴維形成的雙包層線圈,將能量注入有源光縴。有源光縴內部直接生成激光諧振腔,能量得到增益後通過一根無源單模光縴輸出。將多個單模光縴同步輸出,我們就可以得到一台功率翻倍的 kW級光縴激光器。由于使用的是光縴到光縴的整體設計,所以完全不需要調整或對齊反射鏡及其他光學元件(如圖1所示)。


與其他具有類似輸出功率的激光系統相比,光縴激光器,再加上預計100000小時不間斷操作使用壽命的二極管的維護成本顯然更低。此外,由于光縴激光器的設計緊湊,操作簡便,可接入的光縴最長可達200 m,因此特別適用于那些需要高功率、靈活傳輸及高遷移性激光源的領域。

2004年8月,全球首台10 kW光縴激光器在德國羅斯托克市的SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司誕生(如圖2所示)。除了可以進行試驗室焊接、切割和表面拋光試驗外,客戶也可以自行對其進行研究和拓展。Precitec公司已經推出了一系列焊接和表面拋光用的光學頭及切割頭。如果是激光-電弧復合焊,還可以調整焊接頭,使其適合復合焊系統。除了上述靜態應用系統所使用的光學加工頭之外,Mobil Laser Tec公司還研制了一種新型激光頭,用于手動引導焊接及切割。


2.移動激光發射基站

自從第一台10 kW乃至更高輸出功率的光縴激光機問世以來,SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意識到,這種激光源配合移動概念,必能發揮更大的作用,完全可以非常靈活地響應客戶對于現場應用的需求。在一個名為“DOCKLASER”的歐洲項目中,工作人員圍繞IPG YLR-10000光縴激光器設計並建造了一個移動激光發射基站(如圖3所示)。這個激光發射基站配備了冷卻設備,還預留了一些用于安放外圍設備的空間。這樣一個激光發射基站,只需要用普通平板貨車就能實現輕松運輸。而該項目之前使用的是來自Trumpf的4.5 kW Nd:YAG激光器HL2006,體積是目前的三倍之大,所以必須要用到拖車。


2.1長距離直縫焊的牽引

為了實現在垂直或水平方向利用激光-GMA復合焊工藝進行長距離直縫焊,焊接設備生產商奧地利Fronius公司設計並制造了一種牽引裝置。該裝置配有一台激光-GMA復合焊光學頭,一個送絲單元,以及3個直縫焊激光傳感器MTH20,以便對焊縫形態進行追蹤。GMA焊接單元TPS9000最大輸出功率為900 A,佔空比60%。牽引裝置與移動激光發射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨立的控制系統進行通信。用戶通過示教器控制整個系統。該牽引裝置的實地試驗設在JLM Papenburg造船廠(如圖4所示)。


2.2用于三維焊接的機器人

2006年夏季,來自SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司的一款配有FUNUC機器人和傾角定位器的機器人單元投入使用。該機器人單元為激光器在三維空間內的應用帶來了了新的解決方案。系統中安裝了離線程序,可根據要求采用純激光縫焊、激光-GMA復合焊、激光切割或激光鍍層。


2.3高功率光縴激光器的激光-GMA復合焊

船舶制造業會大量使用鋼板以及其它厚度介于3-35 mm的型材,當然也包括管道傳輸、大型容器、起重設備等,常常需要進行長距離直縫焊。然而,現有的傳統型氣體金屬電弧焊及埋弧焊工藝流程加工速度較慢,結果導致大量熱能注入母材,而且焊接時間長,還會造成金屬受熱變形後返工矯形,使生產成本提高。

雖然激光-GMA復合焊加工速度快,熱效能高,但是這一工藝的應用始終未能形成規模,究其原因,主要是當材料厚度超過15 mm時,就只能使用CO2激光源了。加工對接接頭和T形接頭時,CO2激光焊接機必須集成反射系統,才能將光束傳輸至工件表面,所以機器又大又重。而且由于傳輸路徑長,光束參數也容易出現波動。另外,已有的CO2激光源的焊接系統無法再被改造,更不要說在此基礎上再添加一個移動發射裝置了。盡管如此,如果需要輸出功率高,傳輸性能好的緊湊型光縴激光源,暫時也只能這樣選擇。

所以,當光縴激光器出現後,SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司就針對國內外多種型材進行了大量的檢測和靈活性研究。研究人員針對激光-GMA復合焊工藝,特別設計了一種焊接頭。這種光學加工頭不僅可以用于搭載光縴激光器的機器人系統,也可以用于搭載12 kW CO2激光器的Trumpf TLC系統。SLV實驗室對兩者都進行了安裝。

2.3.1用激光-GMA復合焊工藝加工對接接頭

第一項試驗是典型結構鋼的堆焊試驗,該試驗主要是為隨後的試驗積累基礎參數。試驗設計為125 mm準直鏡,250 mm聚焦鏡,光波導, 200 μm芯徑, 90/10比例的氬-CO2的保護氣體對焊接過程進行保護,焦點位置設置為-2 mm,焊槍傾角25度。1.2 mmG3Si1焊絲,送絲速度為12 m/min。弧焊與激光縫焊之間的間隙為2.5 mm。數據顯示,焊接速度為1 m/ min時,焊透深度為13 mm;當焊接速度提高至4 m/min時,焊透深度仍可達到8.1 mm(如圖6所示)。


在上述參數的基礎上,研究人員又進行了造船用高強度結構鋼HSLA65和底漆涂覆結構鋼GLA\GLD36的對接接頭焊接。試驗設計為HSLA65板,厚度8 mm,單面焊, 10 kW激光器,焊接速度3.5 m/min,焦點位置-2 mm;然後調整厚度至16 mm,雙面焊,兩面焊接速度均為3.5 m/min,輸出功率10 kW,焦點位置-2 mm。HSLA65經過坡口加工,以確保無間隙(如圖7所示)。


在GLA板的試驗中,選擇厚度為9 mm底漆涂覆GLA板,10 kW輸出功率,焊接速度2 m/min,焦點位置+3 mm。單位長度的能量平均達到7 kJ/ c m。在厚度為8 mm底漆涂覆板GLD36的試驗中,根據客戶要求,限定激光功率不超過5 kW,經7度坡口加工(包括坡口角度),輸出功率3.2 kW,送絲速度13 m/min,焊接速度1.1 m/min,單位長度的平均能量達到6.5 kJ/ cm(如圖8所示)。最大硬度值為260 HV5,遠遠低于激光焊接接頭的臨界值。GLA板和GLD36均為激光切割,間隙為0 mm。


在長達6 m的操作架上,用激光-GMA復合焊工藝對經過底漆涂覆及激光切割的GLD36板進行單面焊,兩次試驗母材厚度分別為3 mm和5 mm。(如圖9所示)。厚度為3 mm時,激光器輸出功率3 kW,送絲速度9 m/min,焊接速度2 m/min,單位長度的能量均值達到3 kJ/ cm;厚度增加至5 mm時,激光器輸出功率5 kW,送絲速度10 m/min,焊接速度1.7 m/min,單位長度的能量為4.4 kJ/ cm(如圖10所示)。造影檢查、抗彎測試以及抗拉測試結果均符合要求。最大硬度值為270 HV5。



2.3.2用激光-GMA復合焊工藝加工T形接頭

船舶制造業主要的結合工作是角縫焊。如果用激光-GMA工藝對焊接接頭進行單邊或雙邊焊透,就形成了我們所說的T形接頭。

簡言之,在船舶制造業,激光-GMA復合焊最主要的應用就是接頭焊接。

在“DOCKLASER”項目中,客戶列出了下列要求︰

  • 常規焊接長度的焊接

  • 底漆涂覆型材的焊接

  • 點焊

  • 腹板坡口加工等離子切割或熱軋卷板

  • 1 mm間隙焊

在試驗之初,研究人員就已經非常清楚,必須先去除焊接間隙中間的底漆,露出金屬部分。如果沒有這道工序,焊縫上很可能會出現由于排氣不完全所造成的氣孔。在焊接速度高、熔池凝固快時尤其如此。如果是在面板上焊接球扁鋼,也應先清理涂層;但如果是等離子切割坡口,則側面的底漆可以保留。間隙焊其實可以達到2 mm,但是考慮到焊接速度的損失,不建議使用。等離子切割坡口完全可以再次焊接,而且輕微的V形凹槽甚至有助于焊接速度、焊透深度及焊接性能。

試驗結果顯示,焊縫質量相當出色,而且具有良好的重復性。下一步就是利用過程統計模型,找到最佳的結果。這些統計的最佳參數在後來的耐久測試中再一次得到證實。基于這些數據,研究人員又在相關造船廠進行了大量現場試驗(如圖12所示)。在那里,他們甚至操作了長達10 m的直縫焊,遇到的唯一問題就是未定義牽引系統的傳輸軌道,而這一點也無法通過焊縫跟蹤系統彌補。解決方案是對復合焊接頭進行引導,再配合使用操作架,這樣就可以定義傳輸軌道了。





總結

由于光縴激光器的輸出功率有了大幅增長,其在材料加工領域的應用範圍也隨之拓展。現在,光縴激光器已經逐步推進至高功率CO2激光器的應用領域。由于具有更高的電光反射效率、更好的靈活性、免維護、操作簡單等特點,光縴激光器已經引起了那些因為成本原因而止步的用戶的廣泛關注。至于輸出功率、光束質量以及機身體積,光縴激光器更是將現有固態激光源遠遠拋在了身後,特別是便于裝卸的機架設備,使光束傳輸更靈活;超高電光轉換效率,可降低設備配置與操作運行的成本。具有諸多優勢的光縴激光器,必將迎來更為廣闊的應用空間。

直到現在,SLV Meckl enburg -VorpommernGmbH 公司的 10 kW光縴激光器始終保持著良好的性能、傳輸靈活,質量可靠,充分體現了類似激光源的實用性和可持續發展性。


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