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       2004年8月，SLV Meckl enburg- Vorpommern GmbH 生產(chǎn)了首臺10千瓦光纖激光器，這標志著光纖激光器的效率已經(jīng)實現(xiàn)了質的飛越。在隨后的十年里，人們針對激光在各種工業(yè)領域的應用進行了大量的研究。我們將通過幾個實例，分析10千瓦光纖激光器現(xiàn)場試驗的結果和經(jīng)驗，并以此作為激光器推廣應用的參考。
 

       近年來，人們已經(jīng)研制出了可用于高功率激光設備的5千瓦Nd:YAG激光源，然而，由于電光轉換效率僅有6%，且機身龐大，所以無論是單純的泵浦光源，還是二極管泵浦Nd:YAG激光源，仍不能完勝固態(tài)激光源。隨著光纖激光器輸出功率的進一步提高，光纖激光器開始向著原來只能使用CO2激光源的應用領域推進。在過去的三年里，工業(yè)領域使用的多種激光源中，光纖激光器的重要性已經(jīng)開始日益凸顯。

       2002年5月，IPG光子公司推出了首款輸出功率達到1千瓦的光纖激光器。同年11月份，輸出功率已提升至4千瓦。2003年3月，10千瓦光纖激光器問世。至此，IPG已經(jīng)先后推出24款帶有不同輸出功率的光纖激光器，用戶遍及美國、歐洲和亞洲[1]。

       波長為1070nm的摻鐿光纖激光器以其外形小巧，光電轉換效率超過25%，以及極佳的光束質量而備受矚目。其主要作用原理是在激光諧振腔內，通過多種光能反饋，生成、引導并操作激光光束。光纖激光器由摻入特定稀土離子（如鐿、鉺、釹、銩等）的玻璃光纖所形成的雙包層線圈構成。泵浦二極管通過多模纖維形成的雙包層線圈，將能量注入有源光纖。有源光纖內部直接生成激光諧振腔，能量得到增益后通過一根無源單模光纖輸出。將多個單模光纖同步輸出，我們就可以得到一臺功率翻倍的千瓦級光纖激光器。由于使用的是光纖到光纖的整體設計，所以完全不需要調整或對齊反射鏡及其他光學元件（如圖1所示）[2]

圖1：光纖激光器的原理（左圖），380W模塊及一臺光纖激光器內部的模塊組合
 

       與其他具有類似輸出功率的激光系統(tǒng)相比，光纖激光器，再加上預計100.000小時不間斷操作使用壽命的二極管的維護成本顯然更低。此外，由于光纖激光器的設計緊湊，操作簡便，可接入的光纖最長可達200米，因此特別適用于那些需要高功率、靈活傳輸及高遷移性激光源的領域。

       2004年8月，全球首臺10千瓦光纖激光器在德國羅斯托克市的SLV Meckl enburg-Vorpommern GmbH公司誕生（如圖2所示）。除了可以進行試驗室焊接、切割和表面拋光試驗外，客戶也可以自行對其進行研究和拓展。Precitec公司已經(jīng)推出了一系列焊接和表面拋光用的光學頭及切割頭。如果是激光-電弧復合焊，還可以調整焊接頭，使其適合復合焊系統(tǒng)。除了上述靜態(tài)應用系統(tǒng)所使用的光學加工頭之外，Mobil Laser Tec公司還研制了一種新型激光頭，用于手動引導焊接及切割。

圖2：SLV Mecklenburg-Vorpommern GmbH公司生產(chǎn)的10千瓦光纖激光器
 

       自從第一臺10千瓦乃至更高輸出功率的光纖激光機問世以來，SLV Meckl enburg-Western Pommerani ait就很清楚地意識到，這種激光源配合移動概念，必能發(fā)揮更大的作用，完全可以非常靈活地響應客戶對于現(xiàn)場應用的需求。在一個名為“DOCKLASER”的歐洲項目中，工作人員圍繞IPG YLR 10000光纖激光器設計并建造了一個移動激光發(fā)射基站（如圖3所示）。這個激光發(fā)射基站配備了冷卻設備，還預留了一些用于安放外圍設備的空間。這樣一個激光發(fā)射基站，只需要用普通平板貨車就能實現(xiàn)輕松運輸。而該項目之前使用的是來自Trumpf的4.5千瓦Nd:YAG激光器HL2006，體積是目前的三倍之大，所以必須要用到拖車。

圖3：配備10千瓦光纖激光機及冷卻單元的移動激光發(fā)射基站
 

2.1 長距離直縫焊的牽引

       為了實現(xiàn)在垂直或水平方向利用激光-GMA復合焊工藝進行長距離直縫焊，焊接設備生產(chǎn)商奧地利Fronius公司設計并制造了一種牽引裝置。該裝置配有一臺激光-GMA復合焊光學頭，一個送絲單元，以及3個直縫焊激光傳感器MTH20，以便對焊縫形態(tài)進行追蹤。GMA焊接單元TPS9000最大輸出功率為900A，占空比60%。牽引裝置與移動激光發(fā)射基站基站、焊接單元及傳感器控制單元之間可以借助獨立的控制系統(tǒng)進行通信。用戶通過示教器控制整個系統(tǒng)。該牽引裝置的實地試驗設在JLM Papenburg造船廠（如圖4所示）。

圖4：位于Papenburg的Meyer造船廠的激光-GMA復合焊牽引系統(tǒng)
 

2.2 用于三維焊接的機器人

2006年夏季，來自 SLV Mecklenburg-Western Pomerania公司的一款配有FUNUC機器人和傾角定位器的機器人單元投入使用。該機器人單元為激光器在三維空間內的應用帶來了了新的解決方案。系統(tǒng)中安裝了離線程序，可根據(jù)要求采用純激光縫焊、激光-GMA復合焊、激光切割或激光鍍層。

圖5：激光-GMA復合焊，10千瓦光纖激光器（SLV M-V）
 

2.3 高功率光纖激光器的激光-GMA復合焊

船舶制造業(yè)會大量使用鋼板以及其它厚度介于3-35毫米的型材，當然也包括管道傳輸、大型容器、起重設備等，常常需要進行長距離直縫焊。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)型氣體金屬電弧焊及埋弧焊工藝流程加工速度較慢，結果導致大量熱能注入母材，而且焊接時間長，還會造成金屬受熱變形后返工矯形，使生產(chǎn)成本提高。

雖然激光-GMA復合焊加工速度快，熱效能高，但是這一工藝的應用始終未能形成規(guī)模，究其原因，主要是當材料厚度超過15毫米時，就只能使用CO2激光源了。加工對接接頭和T形接頭時，CO2激光焊接機必須集成反射系統(tǒng)，才能將光束傳輸至工件表面，所以機器又大又重。而且由于傳輸路徑長，光束參數(shù)也容易出現(xiàn)波動。另外，已有的CO2激光源的焊接系統(tǒng)無法再被改造，更不要說在此基礎上再添加一個移動發(fā)射裝置了。盡管如此，如果需要輸出功率高，傳輸性能好的緊湊型光纖激光源，暫時也只能這樣選擇。

所以，當光纖激光器出現(xiàn)后，SLV Meckl enburg-Western Pomerania公司就針對國內外多種型材進行了大量的檢測和靈活性研究。研究人員針對激光-GMA復合焊工藝，特別設計了一種焊接頭。這種光學加工頭不僅可以用于搭載光纖激光器的機器人系統(tǒng)，也可以用于搭載12千瓦 CO2激光器的Trumpf TLC系統(tǒng)。SLV實驗室對兩者都進行了安裝。

2.3.1 用激光-GMA復合焊工藝加工對接接頭

第一項試驗是典型結構鋼的堆焊試驗，該試驗主要是為隨后的試驗積累基礎參數(shù)。試驗設計為125毫米準直鏡，250毫米聚焦鏡，光波導， 200μm芯徑， 90/10比例的氬-CO2的保護氣體對焊接過程進行保護，焦點位置設置為-2毫米，焊槍傾角25度。1.2毫米G3Si1焊絲，送絲速度為12米/分鐘?；『概c激光縫焊之間的間隙為2.5毫米。數(shù)據(jù)顯示，焊接速度為1米/ 分鐘時，焊透深度為13毫米；當焊接速度提高至4米/分鐘時，焊透深度仍可達到8.1毫米（如圖6所示）。

圖6：激光+GMA復合焊的焊透深度圖示（結構鋼， 10千瓦激光器，焦點位置為-2mm）
 

在上述參數(shù)的基礎上，研究人員又進行了造船用高強度結構鋼HSLA65和底漆涂覆結構鋼GLA\GLD36的對接接頭焊接。試驗設計為HSLA65板，厚度8毫米，單面焊， 10千瓦激光器，焊接速度3.5米/分鐘，焦點位置-2毫米；然后調整厚度至16毫米，雙面焊，兩面焊接速度均為3.5米/分鐘，輸出功率10千瓦，焦點位置-2毫米。HSLA65經(jīng)過坡口加工，以確保無間隙（如圖7所示）。
 

在GLA板的試驗中，選擇厚度為9毫米底漆涂覆GLA板，10千瓦輸出功率，焊接速度2米/分鐘，焦點位置+3毫米。單位長度的能量平均達到7千焦/厘米。在厚度為8毫米底漆涂覆板GLD36的試驗中，根據(jù)客戶要求，限定激光功率不超過5千瓦，經(jīng)7度坡口加工（包括坡口角度），輸出功率3.2千瓦，送絲速度13米/分鐘，焊接速度1.1米/分鐘，單位長度的平均能量達到6.5千焦/厘米（如圖8所示）。最大硬度值為260 HV5，遠遠低于激光焊接接頭的臨界值。GLA板和GLD36均為激光切割，間隙為0mm。

圖7：結構鋼HSLA65的對接接頭焊接圖示，左側為8毫米單面焊，右側為16毫米雙面焊

圖8： 9毫米底漆涂覆GLA板的對接接頭（左側）與8毫米底漆涂覆GLD36 板的對接接頭（右側）
 

       在長達6米的操作架上，用激光-GMA復合焊工藝對經(jīng)過底漆涂覆及激光切割的GLD36板進行單面焊，兩次試驗母材厚度分別為3毫米和5毫米。（如圖9所示）。厚度為3毫米時，激光器輸出功率3千瓦，送絲速度9米/分鐘，焊接速度2米/分鐘，單位長度的能量均值達到3千焦/厘米；厚度增加至5毫米時，激光器輸出功率5千瓦，送絲速度10米/分鐘，焊接速度1.7米/分鐘，單位長度的能量為4.4千焦/厘米（如圖10所示）。造影檢查、抗彎測試以及抗拉測試結果均符合要求。最大硬度值為270 HV5。

       2006年春季，，一座配備了IPG6千瓦光纖激光器YLR 6000的激光-GMA單面復合焊工作站在芬蘭港口城市圖爾庫的Aker Finnyards公司開始正式投入使用（如圖11所示）。LV Meckl enburg-Western Pommerania GmbH公司為該復合焊設備提供焊接頭和安全保障。

圖9：激光-GMA復合焊接設備（10千瓦光纖激光機）配備的單面焊輔助操作架

圖10： GLD36板接頭截面圖，左側為厚度3毫米，右側為厚度5毫米

圖11：圖爾庫市Aker Finnyards公司的激光-GMA復合焊設備（6千瓦光纖激光機）所配備的單面焊操作架
 

2.3.2 用激光-GMA復合焊工藝加工T形接頭

       船舶制造業(yè)主要的結合工作是角縫焊。如果用激光-GMA工藝對焊接接頭進行單邊或雙邊焊透，就形成了我們所說的T形接頭。

       簡言之，在船舶制造業(yè)，激光-GMA復合焊最主要的應用就是接頭焊接。

       在“DOCKLASER”項目中，客戶列出了下列要求：

? 常規(guī)焊接長度的焊接

? 底漆涂覆型材的焊接

? 點焊

? 腹板坡口加工等離子切割或熱軋卷板

? 1毫米間隙焊

       在試驗之初，研究人員就已經(jīng)非常清楚，必須先去除焊接間隙中間的底漆，露出金屬部分。如果沒有這道工序，焊縫上很可能會出現(xiàn)由于排氣不完全所造成的氣孔。在焊接速度高、熔池凝固快時尤其如此。如果是在面板上焊接球扁鋼，也應先清理涂層；但如果是等離子切割坡口，則側面的底漆可以保留。間隙焊其實可以達到2毫米，但是考慮到焊接速度的損失，不建議使用。等離子切割坡口完全可以再次焊接，而且輕微的V形凹槽甚至有助于焊接速度、焊透深度及焊接性能。

       試驗結果顯示，焊縫質量相當出色，而且具有良好的重復性。下一步就是利用過程統(tǒng)計模型，找到最佳的結果。這些統(tǒng)計的最佳參數(shù)在后來的耐久測試中再一次得到證實?；谶@些數(shù)據(jù)，研究人員又在相關造船廠進行了大量現(xiàn)場試驗（如圖12所示）。在那里，他們甚至操作了長達10米的直縫焊，遇到的唯一問題就是未定義牽引系統(tǒng)的傳輸軌道，而這一點也無法通過焊縫跟蹤系統(tǒng)彌補。解決方案是對復合焊接頭進行引導，再配合使用操作架， 這樣就可以定義傳輸軌道了。

圖12：在西班牙Nav antia造船廠進行現(xiàn)場試驗時使用的牽引系統(tǒng)
 

       腹板厚度為10毫米時，10千瓦激光器可單面焊透，焊接速度1.6米/分鐘，送絲速度12.5米/分鐘，單位長度的能量達到7千焦/厘米（如圖13所示）。如果通過光學系統(tǒng)正確調整激光光束的傾斜角度，還可進一步提高腹板厚度至12毫米。

圖13：激光-GMA復合焊，腹板厚度10毫米，焊接速度1.6米/分鐘
 

2.3.3 用激光-GMA 復合焊工藝加工三明治板接頭

       利用激光-GMA 復合焊工藝焊接三明治板是一項較為特殊的應用。三明治板所用的鋼板厚度通常介于 2.5 至 3 毫米。一個長為 10米的三明治板，內部有 4X40 毫米的腹板，從而形成所謂的 I 形支撐點。這些結構間隙為 120 毫米，通過 CO2 -激光器樁焊。

       為了將多個三明治結構連成整板，我們需要用方形管連接各個部分，同時將其用作焊縫背墊（如圖 14 所示）。在“DOCKLASER ”項目中，工作人員用輸出功率為 4 千瓦的激光焊接機處理類似接頭，焊接速度為 2.5 米/分鐘（如圖 15 所示）。雖然通常輸出功率可以更高，但是由于板與板之間有 2 毫米的技術間隙，在焊接過程中需要通過 GMA 工藝進行間隙焊，所以整體焊接速度會受到限制。

       如果在預加工過程中運用技術手段，降低間隙寬度，焊接速度則可以提高至 9 米/分鐘。預加工中需要注意的一個主要問題是上板間隙寬度和下板間隙寬度可能會存在差異。此外，還應避免板材與中間方形管之間出現(xiàn)間隙，以確保整個焊接流程穩(wěn)定順暢。

圖 14：三明治板結構圖

圖 15：用激光-GMA 復合焊工藝焊接三明治板接頭的宏觀斷面示例
 

       由于光纖激光器的輸出功率有了大幅增長，其在材料加工領域的應用范圍也隨之拓展。現(xiàn)在，光纖激光器已經(jīng)逐步推進至高功率CO2-激光器的應用領域。由于具有更高的電光反射效率、更好的靈活性、免維護、操作簡單等特點，光纖激光器已經(jīng)引起了那些因為成本原因而止步的用戶的廣泛關注。至于輸出功率、光束質量以及機身體積，光纖激光器更是將現(xiàn)有固態(tài)激光源遠遠拋在了身后，特別是便于裝卸的機架設備，使光束傳輸更靈活；超高電光轉換效率，可降低設備配置與操作運行的成本。具有諸多優(yōu)勢的光纖激光器，必將迎來更為廣闊的應用空間。

       直到現(xiàn)在，SLV Meckl enburg -Vorpommern GmbH 公司的 10 千瓦光纖激光器始終保持著良好的性能、傳輸靈活，質量可靠，充分體現(xiàn)了類似激光源的實用性和可持續(xù)發(fā)展性。

供稿：IPG公司   作者：U. Jasnau, A. Sumpf, Rostock
 

[1]. IPG Feature: Fi ber Frenzy, Industrial Laser Solutions, June 2004

[2]. IPG Photonics: Technology, http://www.ipgphotonics.com