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    高功率光纖激光器在焊接領域的作用有哪些?

    2020

    07/16 15:50:09
    小郭 www.dhbuscher.com
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      高功率光纖激光器,是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言,它巧妙地把光纖技術與激光原理有機地結合在一起,是21世紀最先進和最犀利的激光器。在機械加工、激光醫療、汽車制造和軍事等行業中屬于高強度光源。

      與傳統高功率激光器相比,工作波長在1060~1200nm范圍內的高功率光纖激光器,具有轉換效率高、光束質量好、維護周期長、運行費用低等優點,其極高的效率和功率在材料加工方面可與傳統的YAG激光器相媲美。在焊接領域,激光軟焊和燒結所需的功率為50-500W,金屬焊接和硬焊為5-20kW,高功率光纖激光器完全能夠滿足其要求。

      在工業應用方面,高功率表光纖激光器在市場上較為廣闊的應用領域是激光加工技術。激光加工技術是利用激光與物質相互作用的特性對材料進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。與機械加工相比,激光加工具有加工對象廣、非接觸加工、公害小、速度快、可自動控制等優點,被譽為“未來制造系統的共同加工手段。

      近年來,高功率光纖激光器實現了快速發展,在工業應用領域已經表現出極佳優勢特性,可提供超高的功率密度峰值,能達到幾個MW/mm2量級,這對于工業激光焊接而言至關重要。

      02高功率光纖激光器的焊接優勢及應用領域

      相對于其他類型的激光器,高功率光纖激光器具有在極高功率下保證良好的光束質量的特點,能夠實現更大熔深的焊接,且利用光纖傳輸能夠實現遠程柔性加工,在焊接工程領域應用越來越廣泛,日益引起各國的重視。目前,高功率光纖激光器已成功應用于低碳鋼、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。

      光纖激光焊接機是以光纖作為工作介質,其激光波長為1.07μm。目前,摻鐿光纖激光器最高輸出功率可達100kW。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,具體表現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。

      當前,高功率光纖激光器商用的功率達到了幾千瓦級,甚至達到萬瓦級別,這是其它激光器達不到的功率。同時,光纖激光器還擁有相當明顯的技術優勢,其光束質量好,免維護,重量輕,而且均采用風冷的方式,運行成本較低,對工業生產應用環境應用性強,特別是其加工工藝水平與加工效率更是讓其它激光器望塵莫及。同時,實現自動化,智能化與機械運行機構相結合,顯得柔性更加充足。因而,在高端汽車制造,航天航空,船舶等金屬與非金屬的制造業中得到廣泛的應用。

      典型應用

      國際上選用光纖激光焊接技能應用在在造船、轎車制作業上。在歐美發達國家中,大約有50%—70%的轎車零部件都用到了激光加工技能,并以激光焊接和激光切割為主。上海大眾等轎車制作廠也選用激光加工技能焊接車身與箱體等部件。

      車身焊接的優點:

      車身激光焊接主要有加熱范圍集中且精確可控、焊接變形小、焊接速度快等特點。激光焊接與常見的電弧焊對比,激光光斑直徑可以精確控制,通常照射在材料表面的光斑直徑在0.2-0.6mm的范圍內,且越靠近光斑中心的位置能量越高(能量從中心到邊緣呈指數衰減,即高斯分布),激光焊的焊縫寬度可以控制在2mm以下。由于激光焊接的能量很集中,從而熔化的材料少,需要的總熱量小,因此焊接變形小,焊接速度快。

      1)上海大眾轎車制作

      與傳統的焊接技術相比,大眾激光焊接工藝有所不同,激光焊接技術使不同鋼板之間的鏈接達到分子層面的結合;在焊接后,原不同的鋼板相當于一整塊鋼板。這一技術具有諸多優勢,如焊接裝置與焊件無機械接觸,降低對工件的污染;加熱集中,能量密度大;熱影響區小,產生的熱變形和熱損傷少;焊縫美觀,焊縫強度大;通過數控,能精確控制能量輸出,焊接速度快,生產率高等。它不僅給車身加工帶來了更高的精度和效率,同時也使車身的剛度及強度得到大幅提升,車輛行駛舒適性、穩定性、振動機噪音均得到明顯改善。

      2)大型船廠加工

      歐美及日本主要的大型船廠已很多選用激光加工技能,例如美國在最新締造的新型船只上廣泛運用高強度,低合金鋼的T型構件,選用激光焊接技能,使船只的分量大大降低。船體平板為了習慣海洋流力學的需求,都被規劃成具有雜亂的三維曲率形狀,激光輔佐平板成型技能能夠替代吃力、費時、具有必定的危險性的機械加熱成型技能,運用前景良好。日本的Kawasaki重工等造船公司現已安裝了高功率激光平板切開體系。

      在船舶制造中,適合進行激光焊接的部位主要有船舶甲板及艙壁,因為船舶甲板及艙壁焊縫平直、長度長,且以平板對接及T型接頭為主,由于美觀需要,其焊縫要求成形好、焊后板材的變形量小,激光焊接當是首選。

      船舶全位焊接時,激光焊接工藝不僅可以對相同材質進行焊接,還可以對不同厚度材料進行焊接。鋼板激光焊接過程中,出現缺陷會及時報警,以便及時重焊,避免發生斷帶現象。并且在焊前裝配狀態及拼縫位置、焊接過程的穩定性、焊后焊縫質量等的在線檢測,對可能導致焊接缺陷、拼縫位置偏離等進行預報。

      在造船過程中,加工的材料大多數為3~12mm厚的板材,這些板材焊接件由于焊接過程中較大熱輸入而發生翹曲和變形是傳統造船方法中所面臨的主要問題。在建造船身的時候,約25%的工作量是對船板整形和錘平,需要達到要求的平整度和曲率,這樣才使得船板能固定在一起。

      激光焊接技術用于造船的主要優勢就是低變形。目前,激光焊接結構用夾層板、角型材、T型材、十字型材和對接焊接船板等已經為世界造船界所接受。

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