摘要
本論對(duì)燈泵2000W固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,并對(duì)大功率激光金屬的焊接工藝進(jìn)行了探索,通過對(duì)各種工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,克服了對(duì)鋁合金焊接過程出現(xiàn)的問題。在拓展激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了激光——電弧復(fù)合熱源焊接,不僅降低了激光的應(yīng)用成本,而且達(dá)到了提高激光吸收率,改善焊縫組織的性能的目的。
關(guān)鍵詞 大功率固體激光 焊接 工藝 復(fù)合焊
1、 引言
大功率激光器可以通過多腔串接來實(shí)現(xiàn),串接越多對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求和器件加工的要求就越高。其激光功率的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和器件配置密切相關(guān)。本文從激光器單元的角度探討大功率燈泵激光器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)大功率激光器金屬焊接工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
2、 大功率激光器的理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1諧振腔和聚光腔的基本設(shè)計(jì)[1]
根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究,利用現(xiàn)有器件和技術(shù)對(duì)于制造雙燈單棒500W~600W的激光器已經(jīng)成熟。為了獲得更大的功率,同時(shí)提高泵浦效率、降低熱效應(yīng)、提高光束質(zhì)量,我們采用6棒串接,每支晶體由單燈泵浦。按照K.P.Driedger等人的研究結(jié)果,把諧振腔設(shè)計(jì)成棒-鏡間距等于棒-棒間距一半的對(duì)稱平行平面腔。
這樣做的結(jié)果是較大諧振腔的幾何長(zhǎng)度,并且延伸了整個(gè)激光器的長(zhǎng)度??紤]到激光器整體緊湊性的要求,采用一直角棱鏡將光路轉(zhuǎn)折,形成如圖1所示的光路和諧振腔結(jié)構(gòu)。
圖1六棒轉(zhuǎn)折串接結(jié)構(gòu)示意圖
進(jìn)一步的發(fā)展是把兩個(gè)并排的單燈單棒聚光腔做成一體,形成雙燈雙棒雙腔聚光腔。每個(gè)腔體由兩個(gè)相同的單橢圓聚光腔并排組成,每個(gè)單橢圓聚光腔中各放置一支晶體棒和一支泵浦燈,其結(jié)構(gòu)示意如圖2。
1.ND:YAG晶體棒 2.泵浦燈 3.聚光腔拋物面 4.冷卻液 5. 聚光腔拋物面
圖2 雙燈雙棒聚光腔結(jié)構(gòu)剖面圖
2.2大功率激光器的穩(wěn)定性定性分析
除了功率和光束質(zhì)量是我們所追求之外,功率的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的目標(biāo)。隨著注入電功率的增加,激光功率的存在一定的范圍的波動(dòng)性,楚天激光的2000W激光器功率的穩(wěn)定性小于±3%。
激光器的輸出功率受到以下因素的影響
#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(1)激光晶體的模體積。激光功率的大小和激光晶體中的模體積成正比,模體積越大激光功率也就越大。但隨著注入電功率的增加,晶體的熱效應(yīng)也隨之嚴(yán)重,導(dǎo)致晶體模體積發(fā)生變化,影響激光功率輸出。
(2)諧振腔腔鏡的受熱形變。對(duì)稱的平行平面腔在晶體中具有較大的模體積,而隨著功率的增加,鏡片的受熱形變導(dǎo)致腔型發(fā)生改變,從穩(wěn)定腔過渡為非穩(wěn)腔,因此影響激光功率的輸出。
(3)燈的功率的衰減。氪燈做為耗材,其效率在大功率使用下會(huì)隨著使用時(shí)間慢慢衰減,燈功率的下降也會(huì)對(duì)激光功率的穩(wěn)定造成影響。另外由于普通的純凈水中含有大量的微生物和各種離子,所以在高溫的燈管壁上容易附著這些雜質(zhì),也造成了燈的效率的降低。
以上客觀因素在激光器的設(shè)計(jì)中不可避免,為了保證激光功率的穩(wěn)定輸出,就必須使激光器各個(gè)受熱器件快速達(dá)到熱平衡狀態(tài)。我們通過對(duì)激光器聚光腔的通水管道的設(shè)計(jì),使的通過腔體的水流流速達(dá)到設(shè)計(jì)值,如圖3為800W設(shè)備的功率實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)過大約15到20分鐘的熱平衡時(shí)間,功率進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3激光器功率隨時(shí)間的變化
3、 鋁合金的焊接
3.1、大功率激光焊接的優(yōu)點(diǎn)
大功率激光焊接具備在焊接工件表面形成大的功率密度。配合光纖傳輸,能實(shí)現(xiàn)了較高的自動(dòng)化程度,并具有較大的靈活性,對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接很有優(yōu)勢(shì)。激光深穿透焊接的融化區(qū)域具有很高的深寬比。這對(duì)于焊接厚度較大的材料很有優(yōu)勢(shì)。而且加工速度快,熱影響區(qū)、熱變形小[2]。
圖4激光焊接示意圖
3.2鋁合金焊機(jī)的特點(diǎn)
鋁合金重量輕、韌性好,有一定強(qiáng)度,工業(yè)生產(chǎn)特別是在汽車和航天工業(yè)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛。鋁合金的激光焊接可以解決傳統(tǒng)焊接方式的熱變形問題,但同時(shí)也存在以下難點(diǎn):
l 鋁合金的反射率高,導(dǎo)致熱源利用率很低,熱導(dǎo)率大,熱輸入大,線膨脹系數(shù)大。
l 焊接接頭軟化嚴(yán)重,強(qiáng)度系數(shù)低--阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙。
l 鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(Al2O3, 厚度約0.1um,其熔點(diǎn)為2050#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
l 鋁合金焊接中容易產(chǎn)生氣孔;在快速冷卻過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。
因此,鋁合金的激光焊接需要采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度快的高效焊接方法。采用ND:YAG固體激光器產(chǎn)生的1.06μm的激光,可以很好的滿足鋁合金焊接的需要。
3.3 焊接材料的準(zhǔn)備
我們選取的是典型的鋁合金板材,牌號(hào)5052。鋁合金激光焊的難點(diǎn)之一就是鋁合金對(duì)激光的高反射,所以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理,改善對(duì)光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護(hù),氣流量為
實(shí)驗(yàn)從焦點(diǎn)位置參數(shù)(如離焦量)、激光功率、激光焊接速度、和等離子體的控制等影響激光焊接質(zhì)量的幾個(gè)主要因素來研究鋁合金的激光焊接工藝。
(1)焦點(diǎn)位置參數(shù)
對(duì)一定厚度的鋁合金材料進(jìn)行激光焊接時(shí),在一定的激光功率和焊接速度的情況下,焦點(diǎn)位置(包括激光入射角)的選擇決定了焊接的最大熔深。
圖3.2示意了進(jìn)行激光焊接時(shí)其焦點(diǎn)位置參數(shù)的選擇,主要包括有離焦量h(即焦點(diǎn)離工件表面的距離、豎直焦點(diǎn)位置或焦點(diǎn)高度)、偏移量α(即水平焦點(diǎn)位置)和入射角b(即激光束傾斜的角度)三個(gè)參數(shù)。
b |
b——激光束傾斜的角度 a——激光束的偏移量
h——焦點(diǎn)離工件表面的距離 s——工件的厚度
圖3.2激光焦點(diǎn)位置示意圖
① 離焦量
在激光加工(laser oem)中,采用負(fù)離焦可以增加熔深。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)激光焦點(diǎn)在工件表面下的某一距離處可得到最大的焊接穿透深度。隨著使用的激光功率不同,豎直焦點(diǎn)位置移動(dòng)的范圍在被焊材料表面下方約為被焊材料厚度的20%~30%。一般取焦點(diǎn)距基體表面的距離約為板厚的1/3,焦點(diǎn)應(yīng)負(fù)離焦0.4~0
② 入射角
激光焊接鋁合金材料時(shí),由于鋁合金對(duì)YAG激光的反射率較高(在未產(chǎn)生小孔時(shí)可達(dá)85%),所以,常采用激光適當(dāng)偏轉(zhuǎn)一定角度,以避免反射的激光能量過強(qiáng)而損壞光纖或聚焦鏡,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),激光的入射角一般選在4°~5°左右可獲得最佳焊縫效果。
(2)激光功率
激光功率是影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù),尤其是決定焊縫穿透深度的主要因素。
圖3.3 激光功率對(duì)焊縫熔深的影響
如圖3.3所示,根據(jù)焊接速度的不同,分別在1.2、1.5、1.8、2
(3)焊接速度
激光焊接速度也是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù)。焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域的熱輸入,對(duì)焊縫的形狀和尺寸有著較大的影響。
圖3.4 焊接速度與焊縫熔深的影響
如圖3.4所示,根據(jù)激光功率的不同,分別在1.0、1.5、1.8、2.0KW四種不同激光功率下研究焊接速度對(duì)焊縫熔深的影響。
對(duì)于一定厚度的鋁合金板材,有一最佳匹配的焊接功率和焊接速度。在一定的速度、一定的焊接功率情況下,其焊接探度和寬度隨掃描速度的增加而減少。焊縫熱影響區(qū)也會(huì)隨掃描速度的減少而變大。2000W的激光功率,能焊接1.8.~
表3.1 試樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)
試樣編號(hào) |
平均功率 |
峰值功率 |
電源頻率 |
占空比 |
焊接速度 |
1 |
53% |
140% |
280Hz |
37.9% |
|
2 |
54% |
134% |
350Hz |
40.3% |
|
3 |
77% |
174% |
300Hz |
44.3% |
|
4 |
80% |
185% |
260Hz |
45.2% |
|
表3.2 試樣宏觀形貌及描述
試樣編號(hào) |
宏觀照片 |
描述 |
1 |
|
無氣孔,焊縫正面凹陷 |
2 |
|
焊縫右側(cè)有一個(gè)氣孔 |
3 |
|
無氣孔,焊縫正面凹陷 |
4 |
|
無氣孔,焊縫成型良好 |
表3.3 試樣抗拉強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度
試樣編號(hào) |
抗拉強(qiáng)度(Mpa) |
斷裂強(qiáng)度(Mpa) |
最大拉力(N) |
伸長(zhǎng)率(%) |
1 |
42.98 |
17.82 |
1552 |
2.29 |
2 |
36.69 |
5.22 |
1325 |
2.57 |
3 |
31.49 |
9.83 |
1136 |
3.23 |
4 |
104.51 |
26.61 |
3771 |
11.69 |
3.5 焊接狀態(tài)分析及其控制
鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔問題。激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔;低熔點(diǎn)、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔;激光束引起熔池金屬波動(dòng)匙孔不穩(wěn)定,熔池金屬紊流導(dǎo)致氣孔生成。
材料表面狀態(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)生,選擇合適的表面處理措施,加強(qiáng)保護(hù)和采用高功率、高速度、大離焦量(負(fù)值)焊接時(shí)可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。
4、 大功率連續(xù)激光在管材焊接上的應(yīng)用
用不銹鋼板帶生產(chǎn)不銹鋼管時(shí),半圓軋輥將不銹鋼板帶軋成管子,需要采用連續(xù)激光對(duì)接口進(jìn)行焊接。此項(xiàng)焊接鋼帶較長(zhǎng),一根管子焊下來不能停頓,所以要求大功率的激光器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,楚天激光生產(chǎn)的1GY-800W YAG連續(xù)激光設(shè)備其到達(dá)工件表面功率800W,對(duì)于這種空管的焊接非常合適。
圖4.1空管焊接正面和反面效果
對(duì)于焊接1.2mm厚鋼帶,熔深1.2mm,速度可以達(dá)到
5、 激光復(fù)合焊接
激光焊接的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)眾所共知,但是為了降低激光焊接的成本,以激光為核心的復(fù)合焊就引起了人們的興趣,應(yīng)用比較多的就是激光電弧復(fù)合焊技術(shù)。目前激光與電弧復(fù)合焊接主要有兩種方式,一是沿焊接的行程方向,電弧與激光前后排列,中間有一定間距,主要利用電弧對(duì)焊縫金屬進(jìn)行預(yù)熱,從而提高材料對(duì)激光的吸收率;另一種方式是激光與電弧共同作用于熔池,即復(fù)合熱源[3]#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#。
我們采用激光和電弧共同作用于熔池的方式對(duì)5000系列鋁合金和黃銅進(jìn)行了拼焊。材料為5083鋁合金和黃銅,純氦氣保護(hù)。
表5.1激光焊與復(fù)合焊對(duì)比
|
功率 |
材料 |
速度 |
焊縫 |
激光 |
1500w |
1.5mm鋁合金 |
1000mm/min |
2mm |
激光+TIG |
350W+30A |
1.5mm鋁合金 |
|
3.6mm |
激光+TIG |
400W+20A |
1mm黃銅 |
400 mm/min |
2mm |
由表5.1可以看出,復(fù)合焊接的功率注入更小,焊接效率更高,如果不是單純追求焊縫效果的話,復(fù)合焊可以大大節(jié)約焊接成本。且對(duì)于黃銅使用純激光焊接比較困難,采用#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#400W激光和TIG(電流
激光與電弧相互作用形成了一種增強(qiáng)適應(yīng)性的焊接方法,它避免了單一焊接方法的不足,具有提高速度、增大熔深、穩(wěn)定焊接過程、降低裝配條件、實(shí)現(xiàn)高反射材料焊接的眾多優(yōu)點(diǎn)【4】。
6、 結(jié)論
大功率固體連續(xù)激光器功率的穩(wěn)定性對(duì)于生產(chǎn)加工的效率非常重要,激光器熱平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定是激光功率穩(wěn)定的關(guān)鍵。我們通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大功率激光器功率的穩(wěn)定輸出。鋁合金的激光焊接有很多的難點(diǎn),通過對(duì)激光器參數(shù)的合理選擇,可以減少焊接中的氣孔。在此基礎(chǔ)上,以激光和TIG相結(jié)合,實(shí)驗(yàn)了激光復(fù)合焊的特殊優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)(略)
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