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光纤激光焊接降本增效
录入时间:2017/7/4 9:44:49

 

 文/Coherent | ROFIN 激光源产品经理 Wolfram Rath

 

多年来,激光一直在焊接领域得到广泛应用。随着激光技术进一步发展和多样化,它在焊接中的应用范围也在持续扩大。本文概述高功率激光器在深熔焊接中的应用,然后特别介绍 Coherent | Rofin 提供的焊接用光纤激光源的特性和优点,并看看从激光中受益的具体应用。

 

 

 

传统焊接概述

 

目前使用的大部分传统(非激光)焊接技术都源自电弧焊。在使用这些方法时,首先要使两块金属接触或紧密靠近。金属的边缘可能已经过成型处理,以方便焊接。电焊条和接触区域之间形成高压,从而产生可熔化焊接材料(或者,在某些情况下熔化其他焊补材料或焊条本身)的电弧。熔化的焊接材料填充或覆盖工件之间的所有缝隙,凝固后将各部分结合在一起。

 

 

大部分电弧焊方法的主要优点是它们具有相对较低的成本,尤其是在固定设备费用方面。而且,电弧焊技术接受度高,应用广泛,而且已建立完善的生产和测试标准,因此不需要长时间学习即可应用相关的工艺。

 

 

电弧焊的主要缺点主要在于会让部件承受高温。这会在熔化的焊接材料中形成金相组织,导致焊缝强度降低,而且焊缝附近的热影响区域相对较大。此外,电弧的直径受局部电场的影响,因此无法独立设定。

 

 

 

激光深熔焊接

 

 

大部分激光焊接技术可以归入两个基本类,即深熔焊接和热传导焊接。这两种焊接模式既可以自熔(即,不使用焊补材料)方式进行,也可以在需要时使用焊补材料。

 

 

深熔,或称深穿透焊接常见于以高激光功率焊接较厚的材料。在深熔焊接中,激光聚焦在一起从而在工件上形成极高的功率密度。事实上,激光束聚焦的部位会使金属气化,从而在金属熔池中打一个盲孔(即深熔孔)。金属蒸汽压力会挡住周围熔化的金属,使盲孔在焊接过程中始终处于开口状态。激光功率主要在蒸气与熔体边界和深熔孔壁处被熔体吸收。聚焦的激光束和深熔孔沿焊接轨迹持续移动。焊接材料在深熔孔前方熔化,并在后面重新凝固形成焊缝。

 

 

微小的深熔孔区域形成精确的窄熔化区,与电弧焊方法相比,它具有较高的纵横比(深度与宽度之比)。而且,高度集中的热量意味着工件的基体可以起到有效的散热作用,因此,焊接区域能够迅速地升温和冷却。这可在最大程度上减小受高温影响的区域面积,并降低晶粒生长。因此,激光产生的焊缝通常比电弧焊强度更高,这是它的主要优点之一。


 激光焊接还能提供比电弧焊更好的灵活性,因为它可以用于大量材料,包括碳钢、高强钢、不锈钢、钛、铝,以及贵金属。由于材料熔化温度差异和热传导不会对焊接过程造成明显影响,因此激光焊接还可以用于焊接异种材料。

 

此外,如果考虑所有的加工步骤,激光焊接较传统方法可以提供明显的成本优势。特别是精确的热量应用可以最大程度降低焊接点和整个部件的变形,因此在许多情况下,不必进行后期加工。不仅如此,激光焊接还能在较长距离上投射激光束,而且基本上没有功率损失,这使之易于结合其他生产流程,而且能够很好地与制造机器人进行集成。最后,它能以更小的法兰尺寸实现新的产品配置,这对汽车行业的轻型汽车至关重要。

 

 

 

焊接用光纤激光器

 

现代二氧化碳和光纤激光器可以轻松满足深熔焊接对激光束参数和功率的要求。由于绝大多数金属的吸收性随着波长的缩短而提高,因此,与波长为 10.6 微米的二氧化碳激光器相比,波长约为 1 微米的光纤激光器可以提供更高的加工效率。

 

尤其是,光纤激光器能极好地满足深熔焊接的要求。它们提供的输出功率一般在 500 瓦到 10 千瓦之间,而且可以轻易地将焊点直径聚焦在 40 微米到 800 微米之间的必要范围内,即使在相对较大的作业距离上也能实现。从实践的角度来看,使用激光束传输光纤可扩大集成选择,促进激光器在生产环境中的应用。最后,光纤激光器具有高可靠性、卓越的正常运行时间和较低的购置成本等特点,这使之成为一种经济可行且有吸引力的生产焊接应用选择。

 

 

目前有多家制造商正生产用于焊接和其他材料加工应用的高功率光纤激光器。其中,Coherent | Rofin 光纤激光器专为统和提供性能、可靠性、轻松集成和成本特性而设计,是焊接和其他材料加工应用的最佳选择。要了解该激光器如何做到这一点,可查看它的设计和构建详图。

 

 

图纸展示了 Coherent | Rofin 采用的光纤激光振荡器的主要元件。激光谐振腔采用大模场面积 (LMA) 掺镱双包层光纤制成,腔镜采用光纤布拉格光栅。它通过一系列半导体激光器泵浦模块从各自的末端泵送,输出的激光光纤耦合入增益光纤。

 

 

 

1Coherent| Rofin光纤激光器振荡器原理图,包括12个半导体激光器泵浦模块和6×1光纤耦合模块,后者将泵浦光注入增益光纤,使得激光束可以高效地输出。

 

 

根据此设计,一套泵浦和增益光纤可以产生高达 3 千瓦的输出功率。然后,其中最多四台单模光纤激光单元输出的激光合束到一条多模光纤中,从而产生最高 10 千瓦的功率。另一方面,Coherent | Rofin“标准机柜支持通过使用集成的光纤分光器,将一台光纤激光器输出的激光分配到四条独立的光纤中。

 

 

因此,这种模块化的构建方法让 Coherent | Rofin 能够在输出功率、传输光纤直径和光束参数方面提供多种选择。这带来的优点是能够迅速调整激光束的特性,从而精确匹配具体工艺的确切要求。

 

 

在加工纯铜和黄铜等反射性较强的金属时,一些用户遇到了因背向反射而导致光纤激光器损坏或工艺一致性差的情况。Coherent | Rofin 激光器在系统内的不同位置使用经过优化的功率生成及传输技术和传感器,来保护激光器元件避免出现此类损坏。这些保护措施解决了背向反射的问题,并允许可靠地焊接黄铜、铝和纯铜,而不必担心损坏激光器。

 

 

当然,光纤激光器只是整个焊接系统的一个组成部分,这个系统还包括激光束聚焦焊接头和电子控制装置。除了光纤激光器之外,Coherent | Rofin 还提供安装在客户机器中的激光束传输组件。这些组件可能是固定的光学器件或完整的集成扫描解决方案(包括控制所有相关激光参数的组件),用于对焊接过程进行全面优化。此外,这些集成解决方案通常采用快速且灵活的激光束扫描技术,能让激光束从一个焊接轮廓迅速移动到下一个焊接轮廓。这极大地提高了激光加工系统的工作效率。

 

 

案例研究:激光焊接毛巾架散热器

 

 

用于加热毛巾的蒸汽散热器广泛用于世界各地的健身房和温泉浴场。目前,俄罗斯一家制造商采用荷兰专用机器制造商 Rodomach 研发的自动焊接系统生产毛巾架散热器,该系统基于 Coherent | Rofin 光纤激光器。


2:两种型号的毛巾架散热器,由俄罗斯制造商使用 Rodomach 的自动焊接系统生产,该系统基于 Coherent | Rofin 光纤激光器。

 

 

之前,该散热器制造商在生产中使用的是传统的手动 TIG(钨极隋性气体)电弧焊法。它的目标为将所有生产系统都转变为自动化系统。这意味,生产流程必须能够适应各种不同的产品配置,包括使用圆管的型号,以及使用其他形状的管道的型号。对于所有这些产品来说,所需的焊接深度是管道厚度的 100%,而且最后组装必须承受 25 巴的气压。在这种应用中,产品外观同样至关重要。该制造商希望得到均匀、平滑的焊缝,这样才能吸引顾客,而且不需要进行后期加工。平滑的焊缝是必不可少的,因为他们的最后一个生产步骤是电解抛光,让不锈钢散热器呈现镜面般的光洁度。

 

 

为了开发适用于此工艺的激光解决方案,Coherent | Rofin 在我们的汉堡应用实验室针对 Rodomach 进行了多次试验。试验结果证明,该散热器制造商使用的奥氏体 AISI 304 铬镍合金钢便于进行激光焊接。然而,在整个操作过程中,标准工装无法确保部件之间的最佳契合,因此无法保证获得均匀一致的优质焊缝。

 

 

考虑及此,Coherent | Rofin Rodomach 决定设计一种夹持部件的方法,从而在焊接过程中即能确保焊接的一致性,又能防止部件变形。这一解决方案为使用集成了冷却功能的伺服控制夹持机构,取代用于焊接的传统静态夹具。此方法在所有焊接点上平衡地夹住部件,同时冷却功能防止焊缝变形。

 

 

经过测试,Coherent | Rofin 工作人员还推荐配备 300 微米传输光纤的 2 千瓦光纤激光器 (Coherent | Rofin FL 020),以及焦距为 300 毫米的聚焦光学器件,作为面向此应用的最佳配置。这种光学配置可提供长视野深度,能让客户实现较高的工艺容差。其结果是减少废料,并提高工作效率。

 

 

 

 

3:完整的毛巾架散热器自动焊接系统。

 

 

 

 

Rodomach 对系统进行了配置,这样一来,通过使用分光器,一台 Coherent | Rofin 光纤激光器可以为两个机器人焊接站(交替加工散热器的两面)提供激光。我们通过一个终端合并控制系统、两个机器人和激光器。”Rodomach 经理 Roel Doornebosch 说,由于严格的质量要求,一开始客户担心系统的操作会非常复杂,这可以简化他们的操作。我们提供的最终系统以 2 /分钟的速度进行焊接,形成的焊接点可以承受 250 巴的蒸汽压力,是原始规格的 10 倍。另外,焊接质量和盖面持续保持在高水准。鉴于他们在使用第一个系统后又订购了另外两个系统,我认为可以得出这样的结论,我们成功满足甚至超过了他们的预期。

 

总之,过去十年以来,高功率光纤激光器已成为各种焊接应用的理想工具。但是,在具体应用中成功部署光纤激光器需要的不仅是优质的激光源。尤其是,与提供工艺开发与集成方面的支持和专业知识的光纤激光器公司合作,以及全球性的支持平台对于将产品投放市场并取得长期成功起着至关重要的作用。

 


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