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1 前言

雖然激光加工(laser oem)具有種種優(yōu)點(diǎn)，但在重工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用卻受到限制，主要原因是：1)制品板材比較厚；2)制品形狀大，而且復(fù)雜，同類制品量少等。從工序方面來(lái)看，焊接時(shí)要求焊接坡口對(duì)合精度高、在焊接質(zhì)量方面容易產(chǎn)生氣孔，切割時(shí)不可避免地會(huì)增大厚板切口的寬度等。

對(duì)這類厚板材進(jìn)行加工時(shí)，要求激光器具有焊接、切割所需的足夠的激光功率，光束傳輸容易，可以用于大型構(gòu)件和復(fù)雜構(gòu)件加工，也可在室外使用等。加工質(zhì)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(fā)高輸出功率YAG激光器，加工中的加工狀況監(jiān)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(yàn)方法

采用峰值輸出25kW的YAG激光器，可調(diào)制振蕩的l0kW級(jí)YAG激光器和峰值輸出18kW、可調(diào)制振蕩的7kW級(jí)YAG激光器。采用芯徑0.8mm和0.6mm的SI型光纖傳輸光束。

圖1示出采用30m光纖傳送l0kWYAG激光時(shí)的光束傳送特性。從圖中可以看出，入射功率10kW時(shí)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。采用YAG激光器時(shí)，反射光近800W，這種處理很重要。采用該系統(tǒng)時(shí)，處處都要注意不要因反射光而使系統(tǒng)本身受到損傷。

加工時(shí)所使用的光學(xué)系統(tǒng)是Bf(后焦距)等于200mm，成像倍率為1.69的聚光光學(xué)系統(tǒng)。試料，焊接時(shí)采用SUS304，切割時(shí)采用碳鋼。

圖1 用30m光纖傳送時(shí)的傳輸損耗

3 厚板焊接

以前，當(dāng)板材厚度超過(guò)10mm以上時(shí)只能采用CO2激光器焊接。CO2激光焊接厚板材有以下缺點(diǎn):因?yàn)槭抢梅瓷溏R傳送光束，所以焊接對(duì)象受到限制;在加工質(zhì)量上容易受振蕩光束強(qiáng)度分布變化和激光感應(yīng)等離子體的影響。

3.1 10kW級(jí)YAG激光器的熔深特性

因?yàn)橐郧皼]有研究過(guò)5kW以上輸出調(diào)制對(duì)熔深的作用，所以調(diào)查了調(diào)制波振蕩(以下稱P.W.振蕩)和連續(xù)波振蕩(以下稱C.W.振蕩)對(duì)熔深的影響。調(diào) 查結(jié)果示于圖2.從圖中可以看出，采用C.W.振蕩時(shí)，激光器輸出7.6kW,焊接速度0.2m/min時(shí)熔深大約為15mm。采用P.W.振蕩時(shí)，激光 器輸出6.6kW，熔深大約為20mm，以厚板為對(duì)象的低焊接速度時(shí)，采用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(rèn)為這是由于Keyhole形成有無(wú)連續(xù)性引起的。圖3示出采用P.W.振蕩在低速焊接時(shí)峰值輸出對(duì)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(jié)果。即使激光器輸出板6kW，也能得到將近15mm的熔深。

圖4 利用高功率YAG激光器(7.6kw,,0.2m/min)的穿透焊接

3.2在配管、容器方面的應(yīng)用

以上述焊接特性為基礎(chǔ)，研究了用光纖傳送的容器縱向或環(huán)形接合方面的應(yīng)用。圖5示出其應(yīng)用例子。焊接時(shí)，采用7kW級(jí)YAG激光振蕩器、可與大型構(gòu)件對(duì)應(yīng)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激光焊接結(jié)果。任何場(chǎng)合都能得到良好焊接結(jié)果。

圖6 板厚20mm配管的YAG激光焊接結(jié)果

4 在厚板切割方面的應(yīng)用

利用YAG激光拆除廢爐的切割技術(shù)，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，這里研究了板厚100mm以內(nèi)碳鋼的切割。

圖7示出切割板厚極限和激光輸出的關(guān)系。對(duì)0.05m/min及0.2m/min的切割速度進(jìn)行了研究。從研究結(jié)果中可以看出，切割100mm的厚板時(shí) 目前需要7~8kW的激光輸出。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(jìn)行彎曲幅度在2mm以下 的高質(zhì)量分離切割。圖9示出板厚100mm時(shí)的圓錐狀樣品的切割結(jié)果。因此，如果板增厚，不可避免地會(huì)增大切割彎曲幅度。今后，應(yīng)該研究通過(guò)改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng) 及切割氣體的流向來(lái)提高切割質(zhì)量。

5 加工質(zhì)量管理

原子能領(lǐng)域的焊接其質(zhì)量管理比較嚴(yán)格，要求能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地焊接。在廢爐拆除切割方面，從其遠(yuǎn)距離操作性來(lái)看，加工過(guò)程中加工狀況的監(jiān)視技術(shù)是重要的開發(fā)項(xiàng)目之一。下面介紹焊接加工中的監(jiān)視方法。

5.1 加工中焊接狀況的監(jiān)視

圖10示出監(jiān)視頭的構(gòu)成。監(jiān)視時(shí)，以光軸和同軸抽出焊接狀況的圖像，同時(shí)分光、探測(cè)焊接部的發(fā)光。為了使熔深加深，采用脈沖振蕩。根據(jù)焊接狀況圖像，對(duì)熔池形狀和焊接坡口線位置進(jìn)行圖像處理，并向操作人員提供視覺信息。焊接部的發(fā)光抽出，與以前所實(shí)施的采用多條監(jiān)視光纖的方法對(duì)應(yīng)，因?yàn)?/font>焊接頭所要求的空間制約條件并不嚴(yán)格，用一根監(jiān)視光纖把用半反射鏡分出的光抽出。下表中示出焊接部發(fā)光的抽出方法。這里采用的是在抽出焊接參數(shù)、激光器輸出、焦點(diǎn)位置變化的同時(shí)，探測(cè)穿透焊接時(shí)內(nèi)部波穩(wěn)定性和焊接保護(hù)狀況。