大功率激光器可以通過多腔串接來實現(xiàn),串接越多對結(jié)構(gòu)設(shè)計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),并對大功率激光器金屬焊接工藝進行了實驗研究。
大功率激光器諧振腔和聚光腔的基本設(shè)計
根據(jù)前期的實驗研究,利用現(xiàn)有器件和技術(shù)制造雙燈單棒500W~600W激光器已經(jīng)成熟。為了獲得更大的功率,同時提高泵浦效率、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)計成棒-鏡間距等于棒-棒間距一半的對稱平行平面腔。
這樣做的結(jié)果是擴大諧振腔的幾何長度,并且延伸了整個激光器的長度??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)。
進一步的發(fā)展是把兩個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。每個腔體由兩個相同的單橢圓聚光腔并排組成,每個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。
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)定性也是一個重要的目標(biāo)。隨著注入電功率的增加,激光功率存在一定范圍的波動性,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:
● 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。
● 諧振腔腔鏡的受熱形變 對稱
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。
● 燈的功率的衰減 用氪燈作為耗材,其效率在大功率使用下會隨著使用時間慢慢衰減,燈功率的下降對激光功率的穩(wěn)定會造成影響。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受熱器件快速達到熱平衡狀態(tài)。我們通過對激光器聚光腔的通水管道的設(shè)計,使得通過腔體的水流流速達到設(shè)計值,如圖3為800W設(shè)備的功率實驗。在經(jīng)過大約15到20分鐘的熱平衡時間,功率進入穩(wěn)定狀態(tài)。
大功率激光焊接的優(yōu)點
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,能實現(xiàn)了較高的自動化程度,并具有較大的靈活性,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接很有優(yōu)勢。激光深穿透焊接的融化區(qū)域具有很高的深寬比。這對于焊接厚度較大的材料很有優(yōu)勢。而且加工速度快,熱影響區(qū)、熱變形小。
鋁合金焊機的特點
鋁合金重量輕,韌性好,有一定強度,在工業(yè)生產(chǎn)特別是汽車和航天工業(yè)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中日益廣泛。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,但同時也存在以下難點:
● 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。
● 焊接接頭軟化嚴(yán)重,強度系數(shù)低——阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙。
● 鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(Al2O3, 厚度約0.1m,其熔點為2050~2060℃),必須使用大功率密度的焊接工藝。
● 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1.06m的激光,可以很好地滿足鋁合金焊接的需要。
焊接材料的準(zhǔn)備
我們選取的是典型的鋁合金板材,牌號5052。鋁合金激光焊的難點之一就是鋁合金對激光的高反射,所以進行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理,改善對光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護,氣流量為10 L/min。試驗采用了干燥壓縮空氣做氣簾氣體。
試驗參數(shù)與結(jié)果分析
實驗從焦點位置參數(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)量的幾個主要因素,來研究鋁合金的激光焊接工藝。
● 焦點位置參數(shù) 對一定厚度的鋁合金材料進行激光焊接時,在一定的激光功率和焊接速度的情況下,焦點位置(包括激光入射角)的選擇決定了焊接的最大熔深。
圖5示意了進行激光焊接時其焦點位置參數(shù)的選擇,主要包括有離焦量h(即焦點離工件表面的距離、豎直焦點位置或焦點高度)、偏移量(即水平焦點位置)和入射角(即激光束傾斜的角度)三個參數(shù)。
離焦量——在激光加工中,采用負(fù)離焦可以增加熔深。實驗證明,當(dāng)激光焦點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,豎直焦點位置移動的范圍在材料表面下方約為材料厚度的20%~30%。一般取焦點距基體表面的距離約為板厚的1/3,焦點應(yīng)負(fù)離焦0.4~0.6mm為好。#p#分頁標(biāo)題#e#
入射角——激光焊接鋁合金材料時,由于鋁合金對YAG激光的反射率較高(在未產(chǎn)生小孔時可達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而損壞光纖或聚焦鏡
,實驗中發(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。
● 激光功率 這是影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù),尤其是決定焊縫穿透深度的主要因素。
如圖6所示,根據(jù)焊接速度的不同,分別在1.2、1.5、1.8、2.0 m/min四種不同焊接速度下研究激光功率對焊縫熔深的影響。
● 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,對焊縫的形狀和尺寸有著較大的影響。
如圖7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焊縫熔深的影響。
對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,其焊接厚度和寬度隨掃描速度的增加而減少。焊縫熱影響區(qū)也會隨掃描速度的減少而變大。2000W的激光功率,能焊接1.8.~2.0mm厚的鋁合金材料。在這種條件下,其焊接速度約為1.8m/min。表1、表2、表3對比了四種焊接樣品的實際焊接效果。
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、高蒸汽壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔;激光束引起熔池金屬波動匙孔不穩(wěn)定,熔池金屬紊流導(dǎo)致氣孔生成。
材料表面狀態(tài)、保護氣體種類、流量及保護方法、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,加強保護和采用高功率、高速度、大離焦量(負(fù)值)焊接時可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。
大功率連續(xù)激光用于管材焊接
用不銹鋼板帶生產(chǎn)不銹鋼管時,半圓軋輥將不銹鋼板帶軋成管子,需要采用連續(xù)激光對接口進行焊接。此項焊接鋼帶較長,一根管子焊下來不能停頓,所以要求大功率的激光器長時間穩(wěn)定工作,楚天激光生產(chǎn)的1GY-800W YAG連續(xù)激光設(shè)備到達工件表面功率800W,對于這種空管的焊接非常合適。
對于焊接1.2mm厚鋼帶,熔深1.2mm,速度可以達到2m/min,采用氮氣保護,焊接表面光滑美觀。經(jīng)過氣密性、拉力與壓力測試,效果很好。
激光復(fù)合焊接
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,主要利用電弧對焊縫金屬進行預(yù)熱,從而提高材料對激光的吸收率;另一種方式是激光與電弧共同作用于熔池,即復(fù)合熱源。
我們采用激光和電弧共同作用于熔池的方式,對5000系列鋁合金和黃銅進行了拼焊。材料為5083鋁合金和黃銅,純氦氣保護。
由表4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。且對于黃銅使用純激光焊接比較困難,采用400W激光和TIG(電流20A)復(fù)合焊接,則可以達到比較理想的效果。
綜上所述,大功率固體連續(xù)激光器功率的穩(wěn)定性對于生產(chǎn)加工的效率非常重要,激光器熱平衡狀態(tài)的實現(xiàn)和穩(wěn)定是激光功率穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過對激光器參數(shù)的合理選擇,可以減少鋁合金焊接中的氣孔。在此基礎(chǔ)上,以激光和TIG相結(jié)合,實驗了激光復(fù)合焊的特殊優(yōu)點。(作者:郭軍,鄧傳經(jīng),周鋼,孫文,武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司)
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