高功率YAG雷射器在加工厚板工藝分析
2020-11-22 OFweek維科網1 前言
雖然雷射加工具有種種優點，但在重工業領域應用卻受到限制，主要原因是:1)製品板材比較厚;2)製品形狀大，而且複雜，同類製品量少等。從工序方面來看，焊接時要求焊接坡口對合精度高、在焊接質量方面容易產生氣孔，切割時不可避免地會增大厚板切口的寬度等。
對這類厚板材進行加工時，要求雷射器具有焊接、切割所需的足夠的雷射功率，光束傳輸容易，可以用於大型構件和複雜構件加工，也可在室外使用等。加工質量要求做到與以往的電弧焊接和等離子切割等同。
為了滿足這些要求，正在開發高輸出功率YAG雷射器，加工中的加工狀況監視，以及與電弧工序混合的工序。下面介紹其中的一部分。
2 試驗方法
採用峰值輸出25kW的YAG雷射器，可調製振蕩的l0kW級YAG雷射器和峰值輸出18kW、可調製振蕩的7kW級YAG雷射器。採用芯徑0.8mm和0.6mm的SI型光纖傳輸光束。
圖 1示出採用30m光纖傳送l0kWYAG雷射時的光束傳送特性。從圖中可以看出，入射功率10kW時傳送損失約800，大部分傳送損失都是由光纖端面的反射引起的。採用YAG雷射器時，反射光近800W，這種處理很重要。採用該系統時，處處都要注意不要因反射光而使系統本身受到損傷。
加工時所使用的光學系統是Bf(後焦距)等於200mm，成像倍率為1.69的聚光光學系統。試料，焊接時採用SUS304，切割時採用碳鋼。
圖1 用30m光纖傳送時的傳輸損耗
3 厚板焊接
以前，當板材厚度超過10mm以上時只能採用CO2雷射器焊接。CO2雷射焊接厚板材有以下缺點:因為是利用反射鏡傳送光束，所以焊接對象受到限制;在加工質量上容易受振蕩光束強度分布變化和雷射感應等離子體的影響。
3.1 10kW級YAG雷射器的熔深特性
因為以前沒有研究過5kW以上輸出調製對熔深的作用，所以調查了調製波振蕩(以下稱P.W.振蕩)和連續波振蕩(以下稱C.W.振蕩)對熔深的影響。調查結果示於圖2.從圖中可以看出，採用C.W.振蕩時，雷射器輸出7.6kW,焊接速度0.2m/min時熔深大約為15mm。採用P.W.振蕩時，雷射器輸出6.6kW，熔深大約為20mm，以厚板為對象的低焊接速度時，採用P.W.振蕩效果好。從圖中還可看出，隨著焊接速度加快，P.W.振蕩的熔深變淺。筆者認為這是由於Keyhole形成有無連續性引起的。圖3示出採用P.W.振蕩在低速焊接時峰值輸出對熔深的影響，可以看出，隨著峰值輸出的升高，熔深加深。
圖4示出利用P.W.振蕩的20mm厚板的穿透焊接結果。即使雷射器輸出板6kW，也能得到將近15mm的熔深。
圖4 利用高功率YAG雷射器(7.6kw,,0.2m/min)的穿透焊接
3.2在配管、容器方面的應用
以上述焊接特性為基礎，研究了用光纖傳送的容器縱向或環形接合方面的應用。圖5示出其應用例子。焊接時，採用7kW級YAG雷射振蕩器、可與大型構件對應的x軸5m、寬2.5m,z軸4m的大型CNC裝置。
圖6示出板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果。任何場合都能得到良好焊接結果。
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果
4 在厚板切割方面的應用
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果利用YAG雷射拆除廢爐的切割技術，要求把由切割所引起的二次生成物控制在最小限度，要求切割速度比以往的等離子切割高，切割厚度視切割材料和切割爐體的不同而有所不同，這裡研究了板厚100mm以內碳鋼的切割。
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖 7示出切割板厚極限和雷射輸出的關係。對0.05m/min及0.2m/min的切割速度進行了研究。從研究結果中可以看出，切割100mm的厚板時目前需要7~8kW的雷射輸出。圖8示出用3.8kW切割厚45mm的碳鋼和SUS304所得到的切割剖面。從圖中可以看出，可進行彎曲幅度在2mm以下的高質量分離切割。圖9示出板厚100mm時的圓錐狀樣品的切割結果。因此，如果板增厚，不可避免地會增大切割彎曲幅度。今後，應該研究通過改進光學系統及切割氣體的流向來提高切割質量。
5 加工質量管理
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果原子能領域的焊接其質量管理比較嚴格，要求能長時間穩定地焊接。在廢爐拆除切割方面，從其遠距離操作性來看，加工過程中加工狀況的監視技術是重要的開發項目之一。下面介紹焊接加工中的監視方法。
5.1 加工中焊接狀況的監視
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖10示出監視頭的構成。監視時，以光軸和同軸抽出焊接狀況的圖像，同時分光、探測焊接部的發光。為了使熔深加深，採用脈衝振蕩。根據焊接狀況圖像，對熔池形狀和焊接坡口線位置進行圖像處理，並向操作人員提供視覺信息。焊接部的發光抽出，與以前所實施的採用多條監視光纖的方法對應，因為焊接頭所要求的空間制約條件並不嚴格，用一根監視光纖把用半反射鏡分出的光抽出。下表中示出焊接部發光的抽出方法。這裡採用的是在抽出焊接參數、雷射器輸出、焦點位置變化的同時，探測穿透焊接時內部波穩定性和焊接保護狀況。
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果相對於各種監視對象，雷射器輸出和內部波狀態，監視波長取940nm,探測了脈衝斷開時熔化池的發光。從這個波長所使用的傳感器(矽光二極體)的光譜響應特性和監視對象的溫度變化範圍，根據普朗克輻射定律進行波長選定解析，實際上又對各種波長進行了監視，最後選出靈敏度最好的監視波長。關於焦點位置變化，抽出脈衝接通時YAG雷射器的反射光，關於保護狀況的穩定性，為了探測更高溫度時雷射光圈的發光，把脈衝接通時400nrn的短波長光抽出。
5.2監視結果
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖11示出焊接輸出的監視結果與熔深深度的比較。從此結果中可以看出，熔深深度變化0.4mm時，就可探測到輸出功率100W左右的焊接變化。圖12示出焦點位置和YAG雷射器反射光及熔深深度的關係。這裡雖然採用焦點深度Bf=200mm的大透鏡，但是可以探測士4mm的熔深變化。圖13示出穿透和未穿透時的發光強度變化。穿透焊接時，因為熔融金屬在板內穿過，所以發光強度下降，於是就能探測到可以獲得穩定的內部波焊道的狀態。
圖11 焊接輸出的監視結果
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圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖14示出由於保護氣體狀態變化，焊道發生氧化時每個脈衝的發光波形與保護氣體狀態穩定時的比較。從圖中可以看出，由於焊道發生氧化，光圈的發光強度增大。關於以上加工中的監視信息，將根據加工對象的不同靈活使用。
圖14 保護氣體狀態的監視結果
6混合雷射焊接
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果為了進一步擴大雷射焊接的用途，現開發了一種利用雷射焊接和電弧焊接優點的同軸TIG-YAG雷射焊接方法。
6.1同軸TIG-YAG雷射焊接
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖15示出同軸TIG-YAG雷射焊接頭的外貌。這種焊接方法，是把從光纖射出的光束分開，將TIG焊極設置在其中央，使光束在TIG焊極頂端下方再次聚光，同軸向同一地方照射聚光光束和TIG弧光，進行焊接。
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果對這一過程中的TIG弧光和YAG雷射光束的相互作用進行了研究，研究結果認為弧光及光圈光束吸收可以忽略。圖16示出高速混合焊接時的弧光穩定性與僅用TIG焊接的比較結果。
6.2同軸TIG-YAG雷射焊接的效果
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果圖17示出相對焊接坡口縫隙餘量的同軸TIG-YAG雷射焊接的結果。僅用YAG時焊接坡口縫隙為0.4mm時，會產生咬邊。而同軸TIG-YAG雷射焊接時焊接坡口縫隙可達0.8mm。圖18示出根據焊接焊道的斷面研究氣孔發生狀況的結果。因為保護氣體中使用了Ar，所以僅採用YAG時不可避免在部分焊道中產生氣孔。而同軸TIG-YAG雷射焊接可以控制氣孔的發生，如圖19所示，這是因為同軸TIG-YAG雷射焊接比單用YAG時栓孔上部的孔徑大，金屬蒸汽容易排出。
圖19 栓孔孔徑大小的比較
7 今後的發展
圖6 板厚20mm配管的YAG雷射焊接結果要想擴大雷射加工在厚板領域的應用，必須使振蕩器實現高功率輸出，提高光束傳輸性能。高功率YAG雷射器的應用越來越廣，今後，應加強加工質量管理，重點開發加工過程中的監視和相應控制技術。但是，擴大應用也與雷射器自身的最初成本有很大關係。今後，應開發價廉的高輸出二極體抽運YAG雷射器或直接加工用的半導體雷射器(LD)，以擴大應用領域。
編輯：曾聰
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