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激光焊接中四种激光器对比分析

发布时间:2021-02-26浏览:393次

  往期回顾:焊接气孔的产生原因和防止措施(激光焊接参考)
 
  选择激光焊接光源的时候要充分考虑焊接材料、接头几何形状、速度等因素。
 
  随着激光焊接在制造业中的广泛应用,如何正确选择激光源是制造商需要面临的一个现实问题。目前市场上可选择的激光源有光纤、脉冲Nd:YAG、二极管、碟片还有CO2激光源(CWNd:YAG激光源基本上已经被光纤和碟式激光器取代了,因此本文没有述及)。选择那一种激光源要充分考虑到各种因素,如焊接的材料、接头几何形状、焊接速度、形位公差、系统集成要求等,当然还要考虑预算。每一种激光源都有其特性,可以满足不同的焊接要求,当然在某些情况下也有可替代性。
 
  ◆CO2激光器CO2气体激光器,波长为10604nm,功率1~20千瓦,是一种非常成熟的激光器,而且是自上个世纪八十年以来一直是大功率加工的主要激光源。
 
  ◆光纤激光器这种高效的二极管泵浦激光器其实是一种小芯径硅基光纤。激光源出现在光纤内,因此不用进行校正,而且将小芯径光纤映射到聚焦镜上时,焦点尺寸小可以达到10微米。这种紧凑型的激光器通常以两种配置出现:低功率焊接(小于300W)的单一模式;以及用于大功率焊接的多模式。
 
  ◆二极管激光器单发光面器件功率的提高,新冷却通道技术的出现,加上可以将光束聚焦为直径小于1000微米光纤的微光学元件技术的发展,都推进了二极管作为焊接激光器的出现。
 
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  ◆碟式激光器扁平的Yd:YAG晶体薄盘置于CW激光器的中心——碟式激光器这种设计是为了避免出现棒状激光器的固有问题,而采用了0.01in厚的圆盘,另一面用冷却装置支撑。采用这种设计进行冷却可以使激光器功率达到10kW,同时可以保证光束质量。
 
  ◆脉冲Nd:YAG激光器这种激光器采用单一的Nd:YAG激光棒,通过闪光灯激励产生焊接所使用的高峰值和低平均功率。比如,一个相对较低的功率,35W平均功率可以产生6kW的高峰值功率。这种高峰值功率和窄脉宽的结合不仅保证了材料焊接的质量,还为能量输入提供了有效的控制。
 
  按熔深大小选择激光器
 
  激光器的选择按照熔深大小可分为:小于0.01in、0.01~0.03in和大于0.03in。一般来说,可以选择多个激光源来完成焊接,但是出于对性能和预算的考虑,往往只能选择一到两个光源。当然,后的决定可能还会受其他很多因素影响,比如样品质量、地理因素、售后服务、系统集成商的偏好等,当然可能还会受人缘关系影响。
 
  ◆小于0.01in焊缝熔深
 
  主要采用脉冲Nd:YAG激光器,其次是光纤激光器。在考虑部件装配、接头形状、材料和镀层等情况下,需要对整个焊接过程有更好的控制,脉冲Nd:YAG激光器则是的选择。采用高峰值功率可以产生光点尺寸大于1000微米的焊接光束,在选择焊点尺寸时具有较大的灵活性,从而使焊接本身的工艺窗口化,同时保证在生产环境中必要的容差。
 
  光纤激光器是该分类中一种连续波激光,因为光纤激光器可以使光束聚焦后的光点尺寸小于25微米,这样就可以获得焊接所需要的高功率密度。为了保证在微加工领域的价格竞争力,光纤激光器功率一般不超过200W,这样也就限制了其大的光点尺寸,无法提供足够的功率密度,一般焊点尺寸不超过75微米。这是光纤激光器一个大的限制,这样在实际生产中,按配合公差和叠加公差来调节接头/部件时,往往无法保证±15毫米的误差范围。
 
  光纤激光器主要用于为了保证稳定性对焊点要求很高的厚度较薄材料的搭焊中。光纤激光器采用焦距为150mm的镜头可以产生直径小于25微米的光点,这样给加工带来了足够的操作空间。光纤激光器采用搭焊焊接可以以较高的速度获得熔深达到0.01in甚至高于0.01in的焊缝;200W单模式光纤激光器在高达50in/s速度下可以获得0.004in的熔深。
 
  相比较来说,脉冲Nd:YAG激光器除了薄箔片焊接外在这个区间可以满足所有的应用。该激光器的光点尺寸、脉冲宽度以及峰值功率范围都较大,因此在经过调节和优化后几乎可以满足各种焊接需求。
 
  ◆0.01~0.03in(0.254-0.762mm)焊缝熔深
 
  上面所说的脉冲Nd:YAG激光器和光纤激光器的应用分类在这里依然有效,但是范围较窄。脉冲Nd:YAG激光器用于大多数的点焊加工,而采用约500W功率且光点直径为0.01微米的光纤激光器可以用于低容差的对接焊和角焊中。脉冲Nd:YAG激光器的性价比相对较高,500W和25W功率的激光器可以在不同焊接速度下带来不同的焊缝熔深;峰值功率可以保证熔深性能而平均功率可以保证缝焊的焊接速度。
 
  功率在500~800W之间的二极管激光器可以焊接容差较大的部件,速度一般要比光纤和碟式激光器慢,但是较大的容差可以弥补这一不足。
 
  ◆焊缝熔深大于0.03in(0.762mm)
 
  所有的激光器都适用于此范围。脉冲Nd:YAG激光器可以达到的熔深约为0.05in(1.27mm),而其他类型的激光器可以达到0.25in(6.35mm),有些甚至超过0.5in(12.5mm)。一般来说,该范围内脉冲Nd:YAG激光器所适用的焊接部件都比较小,如采用缝焊的压力传感器等元件。除此之外,在速度和熔深方面,汽车行业基本涵盖了几乎所有的应用范围,光纤、CO2、碟式和二极管激光器都可以选择使用。
 
  寻求平衡
 
  这些激光源主要的区别是光束质量、亮度和波长。光束质量指的是激光的可聚焦性,亮度指被聚焦光束内的功率密度。举例来说,CO2激光器和光纤激光器的光束质量差不多,这样如果其他参数都一样的话,它们可以聚焦成为直径相同的光点。光纤激光源的波长是CO2光源波长的十分之一,因此光纤激光源可以产生的光点直径就是CO2光源的十分之一;而光纤激光源的光束质量和亮度则更好。
 
  在激光焊接中,熔深和速度是与光束质量和亮度成正比的,而焊接稳定性和容差与光束质量和亮度却没有那么直接的关系。因此,焊接性能和质量以及工艺窗口的宽度之间必须寻求一种平衡。需要知道的是,为了满足实际需求,可以将光束的质量调低,但是无法将较差的光束变好。
 
  在0.25in熔深时,以上几种激光器的焊接速度非常接近;光纤和碟式要比CO2速度快,而二极管要慢于CO2。采用较高功率激光器进行焊接通常需要两班倒的方式,这意味着选择哪一种激光器还与采购激光器的成本有关。虽然CO2激光器拥有大量的用户,而且他们对这种技术也非常熟悉,不过与光纤、碟式和二极管激光器相比,CO2激光器单次焊接的成本要高很多。
 
  激光焊接在熔深需求超过0.25in的焊接应用中与等离子和弧焊相比要更有优势,可以大大减少热变形。热变形的减少可以维持部件的几何形状,这样就不必再对部件几何外形进行重新处理。部件配合在这种厚度下可能会带来问题,可以采用填丝或将激光焊与等离子焊及弧焊相结合的工艺流程。
 
  结论
 
  激光焊接的激光源有很多种,每一种都有其特性,适用于不同的需求。用户要充分了解哪一种激光源能满足他们的焊接需求,这点非常重要。如果需要焊接系统的话,的办法就是与系统供应商合作,他们可以决定的激光器。
 
  此外,还可以与不同的激光器制造商接触,将焊接样品寄给他们,通过这种途径来决定的解决方案。在选择激光器的时候,记住焊接需要在熔深、速度、稳定性、生产部件容纳性以及容差方面做到均衡。
 

 

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