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东莞市正信激光科技有限公司
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基于高功率光纤激光的复合焊——激光应用的新机遇


1.高功率光纤激光器——效率的大跨步

近年来,人们已经研制出了可用于高功率激光设备的5 kW Nd:YAG激光源,然而,由于电光转换效率仅有6%,且机身庞大,所以无论是单纯的泵浦光源,还是二极管泵浦Nd:YAG激光源,仍不能完胜固态激光源。随着光纤激光器输出功率的进一步提高,光纤激光器开始向着原来只能使用CO2激光源的应用领域推进。在过去的三年里,工业领域使用的多种激光源中,光纤激光器的重要性已经开始日益凸显。

2002年5月,IPG光子公司推出了首款输出功率达到1 kW的光纤激光器。同年11月份,输出功率已提升至4 kW。2003年3月,10 kW光纤激光器问世。至此,IPG已经先后推出24款带有不同输出功率的光纤激光器,用户遍及美国、欧洲和亚洲。

波长为1070 nm的掺镱光纤激光器以其外形小巧,光电转换效率超过25%,以及极佳的光束质量而备受瞩目。其主要作用原理是在激光谐振腔内,通过多种光能反馈,生成、引导并操作激光光束。光纤激光器由掺入特定稀土离子(如镱、铒、钕、铥等)的玻璃光纤所形成的双包层线圈构成。泵浦二极管通过多模纤维形成的双包层线圈,将能量注入有源光纤。有源光纤内部直接生成激光谐振腔,能量得到增益后通过一根无源单模光纤输出。将多个单模光纤同步输出,我们就可以得到一台功率翻倍的 kW级光纤激光器。由于使用的是光纤到光纤的整体设计,所以完全不需要调整或对齐反射镜及其他光学元件(如图1所示)。


与其他具有类似输出功率的激光系统相比,光纤激光器,再加上预计100000小时不间断操作使用寿命的二极管的维护成本显然更低。此外,由于光纤激光器的设计紧凑,操作简便,可接入的光纤最长可达200 m,因此特别适用于那些需要高功率、灵活传输及高迁移性激光源的领域。

2004年8月,全球首台10 kW光纤激光器在德国罗斯托克市的SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司诞生(如图2所示)。除了可以进行试验室焊接、切割和表面抛光试验外,客户也可以自行对其进行研究和拓展。Precitec公司已经推出了一系列焊接和表面抛光用的光学头及切割头。如果是激光-电弧复合焊,还可以调整焊接头,使其适合复合焊系统。除了上述静态应用系统所使用的光学加工头之外,Mobil Laser Tec公司还研制了一种新型激光头,用于手动引导焊接及切割。


2.移动激光发射基站

自从第一台10 kW乃至更高输出功率的光纤激光机问世以来,SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意识到,这种激光源配合移动概念,必能发挥更大的作用,完全可以非常灵活地响应客户对于现场应用的需求。在一个名为“DOCKLASER”的欧洲项目中,工作人员围绕IPG YLR-10000光纤激光器设计并建造了一个移动激光发射基站(如图3所示)。这个激光发射基站配备了冷却设备,还预留了一些用于安放外围设备的空间。这样一个激光发射基站,只需要用普通平板货车就能实现轻松运输。而该项目之前使用的是来自Trumpf的4.5 kW Nd:YAG激光器HL2006,体积是目前的三倍之大,所以必须要用到拖车。


2.1长距离直缝焊的牵引

为了实现在垂直或水平方向利用激光-GMA复合焊工艺进行长距离直缝焊,焊接设备生产商奥地利Fronius公司设计并制造了一种牵引装置。该装置配有一台激光-GMA复合焊光学头,一个送丝单元,以及3个直缝焊激光传感器MTH20,以便对焊缝形态进行追踪。GMA焊接单元TPS9000最大输出功率为900 A,占空比60%。牵引装置与移动激光发射基站基站、焊接单元及传感器控制单元之间可以借助独立的控制系统进行通信。用户通过示教器控制整个系统。该牵引装置的实地试验设在JLM Papenburg造船厂(如图4所示)。


2.2用于三维焊接的机器人

2006年夏季,来自SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司的一款配有FUNUC机器人和倾角定位器的机器人单元投入使用。该机器人单元为激光器在三维空间内的应用带来了了新的解决方案。系统中安装了离线程序,可根据要求采用纯激光缝焊、激光-GMA复合焊、激光切割或激光镀层。


2.3高功率光纤激光器的激光-GMA复合焊

船舶制造业会大量使用钢板以及其它厚度介于3-35 mm的型材,当然也包括管道传输、大型容器、起重设备等,常常需要进行长距离直缝焊。然而,现有的传统型气体金属电弧焊及埋弧焊工艺流程加工速度较慢,结果导致大量热能注入母材,而且焊接时间长,还会造成金属受热变形后返工矫形,使生产成本提高。

虽然激光-GMA复合焊加工速度快,热效能高,但是这一工艺的应用始终未能形成规模,究其原因,主要是当材料厚度超过15 mm时,就只能使用CO2激光源了。加工对接接头和T形接头时,CO2激光焊接机必须集成反射系统,才能将光束传输至工件表面,所以机器又大又重。而且由于传输路径长,光束参数也容易出现波动。另外,已有的CO2激光源的焊接系统无法再被改造,更不要说在此基础上再添加一个移动发射装置了。尽管如此,如果需要输出功率高,传输性能好的紧凑型光纤激光源,暂时也只能这样选择。

所以,当光纤激光器出现后,SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司就针对国内外多种型材进行了大量的检测和灵活性研究。研究人员针对激光-GMA复合焊工艺,特别设计了一种焊接头。这种光学加工头不仅可以用于搭载光纤激光器的机器人系统,也可以用于搭载12 kW CO2激光器的Trumpf TLC系统。SLV实验室对两者都进行了安装。

2.3.1用激光-GMA复合焊工艺加工对接接头

第一项试验是典型结构钢的堆焊试验,该试验主要是为随后的试验积累基础参数。试验设计为125 mm准直镜,250 mm聚焦镜,光波导, 200 μm芯径, 90/10比例的氩-CO2的保护气体对焊接过程进行保护,焦点位置设置为-2 mm,焊枪倾角25度。1.2 mmG3Si1焊丝,送丝速度为12 m/min。弧焊与激光缝焊之间的间隙为2.5 mm。数据显示,焊接速度为1 m/ min时,焊透深度为13 mm;当焊接速度提高至4 m/min时,焊透深度仍可达到8.1 mm(如图6所示)。


在上述参数的基础上,研究人员又进行了造船用高强度结构钢HSLA65和底漆涂覆结构钢GLA\GLD36的对接接头焊接。试验设计为HSLA65板,厚度8 mm,单面焊, 10 kW激光器,焊接速度3.5 m/min,焦点位置-2 mm;然后调整厚度至16 mm,双面焊,两面焊接速度均为3.5 m/min,输出功率10 kW,焦点位置-2 mm。HSLA65经过坡口加工,以确保无间隙(如图7所示)。


在GLA板的试验中,选择厚度为9 mm底漆涂覆GLA板,10 kW输出功率,焊接速度2 m/min,焦点位置+3 mm。单位长度的能量平均达到7 kJ/ c m。在厚度为8 mm底漆涂覆板GLD36的试验中,根据客户要求,限定激光功率不超过5 kW,经7度坡口加工(包括坡口角度),输出功率3.2 kW,送丝速度13 m/min,焊接速度1.1 m/min,单位长度的平均能量达到6.5 kJ/ cm(如图8所示)。最大硬度值为260 HV5,远远低于激光焊接接头的临界值。GLA板和GLD36均为激光切割,间隙为0 mm。


在长达6 m的操作架上,用激光-GMA复合焊工艺对经过底漆涂覆及激光切割的GLD36板进行单面焊,两次试验母材厚度分别为3 mm和5 mm。(如图9所示)。厚度为3 mm时,激光器输出功率3 kW,送丝速度9 m/min,焊接速度2 m/min,单位长度的能量均值达到3 kJ/ cm;厚度增加至5 mm时,激光器输出功率5 kW,送丝速度10 m/min,焊接速度1.7 m/min,单位长度的能量为4.4 kJ/ cm(如图10所示)。造影检查、抗弯测试以及抗拉测试结果均符合要求。最大硬度值为270 HV5。



2.3.2用激光-GMA复合焊工艺加工T形接头

船舶制造业主要的结合工作是角缝焊。如果用激光-GMA工艺对焊接接头进行单边或双边焊透,就形成了我们所说的T形接头。

简言之,在船舶制造业,激光-GMA复合焊最主要的应用就是接头焊接。

在“DOCKLASER”项目中,客户列出了下列要求:

  • 常规焊接长度的焊接

  • 底漆涂覆型材的焊接

  • 点焊

  • 腹板坡口加工等离子切割或热轧卷板

  • 1 mm间隙焊

在试验之初,研究人员就已经非常清楚,必须先去除焊接间隙中间的底漆,露出金属部分。如果没有这道工序,焊缝上很可能会出现由于排气不完全所造成的气孔。在焊接速度高、熔池凝固快时尤其如此。如果是在面板上焊接球扁钢,也应先清理涂层;但如果是等离子切割坡口,则侧面的底漆可以保留。间隙焊其实可以达到2 mm,但是考虑到焊接速度的损失,不建议使用。等离子切割坡口完全可以再次焊接,而且轻微的V形凹槽甚至有助于焊接速度、焊透深度及焊接性能。

试验结果显示,焊缝质量相当出色,而且具有良好的重复性。下一步就是利用过程统计模型,找到最佳的结果。这些统计的最佳参数在后来的耐久测试中再一次得到证实。基于这些数据,研究人员又在相关造船厂进行了大量现场试验(如图12所示)。在那里,他们甚至操作了长达10 m的直缝焊,遇到的唯一问题就是未定义牵引系统的传输轨道,而这一点也无法通过焊缝跟踪系统弥补。解决方案是对复合焊接头进行引导,再配合使用操作架,这样就可以定义传输轨道了。





总结

由于光纤激光器的输出功率有了大幅增长,其在材料加工领域的应用范围也随之拓展。现在,光纤激光器已经逐步推进至高功率CO2激光器的应用领域。由于具有更高的电光反射效率、更好的灵活性、免维护、操作简单等特点,光纤激光器已经引起了那些因为成本原因而止步的用户的广泛关注。至于输出功率、光束质量以及机身体积,光纤激光器更是将现有固态激光源远远抛在了身后,特别是便于装卸的机架设备,使光束传输更灵活;超高电光转换效率,可降低设备配置与操作运行的成本。具有诸多优势的光纤激光器,必将迎来更为广阔的应用空间。

直到现在,SLV Meckl enburg -VorpommernGmbH 公司的 10 kW光纤激光器始终保持着良好的性能、传输灵活,质量可靠,充分体现了类似激光源的实用性和可持续发展性。


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