激光焊接中四種激光器對比分析

1、激光焊接中四種激光器對比分析瀏覽:454更新:2013-05-05 01:07標(biāo)簽：焊接在選擇激光焊接光源的時候要充分考慮焊接材料、接頭幾何形狀、速度等因素。隨著激光焊接在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，如何正確選擇激光源是制造商需要面 臨的一個現(xiàn)實(shí)問題。目前市場上可選擇的激光源有光纖、脈沖Nd：YAG、二極管、 碟片還有C02激光源（CW Nd：YAG激光源基本上已經(jīng)被光纖和碟式激光器取代了 , 因此本文沒有述及）。選擇那一種激光源要充分考慮到各種因素，如焊接的材料、 接頭幾何形狀、焊接速度、形位公差、系統(tǒng)集成要求等，當(dāng)然還要考慮預(yù)算。每 一種激光源都有其特性，可以滿足不同的焊接要求，當(dāng)然在某些情況下也

2、有可替 代性。 C02激光器C02氣體激光器，波長為10604nm,功率廣20千瓦，是一種 非常成熟的激光器，而且是自上個世紀(jì)八十年以來一直是大功率加工的最主要激 光源。光纖激光器這種髙效的二極管泵浦激光器其實(shí)是一種小芯徑硅基光纖。激 光源出現(xiàn)在光纖，因此不用進(jìn)行校正，而且將小芯徑光纖映射到聚焦鏡上時，焦 點(diǎn)尺寸最小可以達(dá)到10微米。這種緊湊型的激光器通常以兩種配置出現(xiàn)：低功 率焊接（小于300W）的單一模式；以及用于大功率焊接的多模式。二極管激光器單發(fā)光面器件功率的提髙，新冷卻通道技術(shù)的出現(xiàn)，加上可 以將光束聚焦為直徑小于1000微米光纖的微光學(xué)元件技術(shù)的發(fā)展，都推進(jìn)了二 極管作為焊接激光器

3、的出現(xiàn)。碟式激光器扁平的Yd：YAG晶體薄盤置于CW激光器的中心一一碟式激光 器這種設(shè)計是為了避免出現(xiàn)棒狀激光器的固有問題，而采用了 O.Olin厚的圓盤, 另一面用冷卻裝置支撐。采用這種設(shè)計進(jìn)行冷卻可以使激光器功率達(dá)到10kW, 同時可以保證光束質(zhì)量。脈沖Nd：YAG激光器這種激光器采用單一的Nd：YAG激光棒，通過閃光燈激 勵產(chǎn)生焊接所使用的高峰值和低平均功率。比如，一個相對較低的功率，35W平 均功率可以產(chǎn)生6kW的高峰值功率。這種髙峰值功率和窄脈寬的結(jié)合不僅保證了 材料焊接的質(zhì)量，還為能量輸入提供了有效的控制。按熔深大小選擇激光器激光器的選擇按照熔深大小可分為：小于O.Olin、O.O

4、CO. 03in和大于 0. 03ino 一般來說，可以選擇多個激光源來完成焊接，但是出于對性能和預(yù)算的 考慮，往往只能選擇一到兩個光源。當(dāng)然，最后的決定可能還會受其他很多因素 影響，比如樣品質(zhì)量、地理因素、售后服務(wù)、系統(tǒng)集成商的偏好等，當(dāng)然可能還 會受人緣關(guān)系影響。小于O.Olin焊縫熔深主要采用脈沖Nd：YAG激光器，其次是光纖激光器。在考慮部件裝配、接頭 形狀、材料和鍍層等情況下，需要對整個焊接過程有更好的控制，脈沖Nd：YAG 激光器則是最佳的選擇。采用高峰值功率可以產(chǎn)生光點(diǎn)尺寸大于1000微米的焊 接光束，在選擇焊點(diǎn)尺寸時具有較大的靈活性，從而使焊接本身的工藝窗口最大 化，同時保證在

5、生產(chǎn)環(huán)境中必要的容差。光纖激光器是該分類中唯一一種連續(xù)波激光，因?yàn)楣饫w激光器可以使光束聚 焦后的光點(diǎn)尺寸小于25微米，這樣就可以獲得焊接所需要的高功率密度。為了 保證在微加工領(lǐng)域的價格競爭力，光纖激光器功率一般不超過200W,這樣也就 限制了其最大的光點(diǎn)尺寸，無法提供足夠的功率密度，一般焊點(diǎn)尺寸不超過75 微米。這是光纖激光器一個最大的限制，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，按配合公差和疊加 公差來調(diào)節(jié)接頭/部件時，往往無法保證15毫米的誤差圍。光纖激光器主要用于為了保證穩(wěn)定性對焊點(diǎn)要求很高的厚度較薄材料的搭 焊中。光纖激光器采用焦距為150mm的鏡頭可以產(chǎn)生直徑小于25微米的光點(diǎn)， 這樣給加工帶來了足夠的操

6、作空間。光纖激光器采用搭焊焊接可以以較髙的速度 獲得熔深達(dá)到0. Olin甚至高于0. Olin的焊縫；200W單模式光纖激光器在高達(dá) 50in/s速度下可以獲得0. 004in的熔深。相比較來說，脈沖Nd：YAG激光器除了薄箔片焊接外在這個區(qū)間可以滿足所 有的應(yīng)用。該激光器的光點(diǎn)尺寸、脈沖寬度以及峰值功率圍都較大，因此在經(jīng)過 調(diào)節(jié)和優(yōu)化后幾乎可以滿足各種焊接需求。 0. OTO. 03in焊縫熔深上面所說的脈沖Nd：YAG激光器和光纖激光器的應(yīng)用分類在這里依然有效， 但是圍較窄。脈沖Nd：YAG激光器用于大多數(shù)的點(diǎn)焊加工，而采用約500W功率且 光點(diǎn)直徑為0.01微米的光纖激光器可以用于低容

7、差的對接焊和角焊中。脈沖 Nd：YAG激光器的性價比相對較髙，500W和25W功率的激光器可以在不同焊接速 度下帶來不同的焊縫熔深；峰值功率可以保證熔深性能而平均功率可以保證縫焊 的焊接速度。功率在500800W之間的二極管激光器可以焊接容差較大的部件，速度一般 要比光纖和碟式激光器慢，但是較大的容差可以彌補(bǔ)這一不足。焊縫熔深大于0. 03in所有的激光器都適用于此圍。脈沖Nd：YAG激光器可以達(dá)到的熔深約為0.05in, 而其他類型的激光器可以達(dá)到0.25in,有些甚至超過0.5in。一般來說，該圍脈 沖Nd：YAG激光器所適用的焊接部件都比較小，如采用縫焊的壓力傳感器等元件。 除此之外，在

8、速度和熔深方面，汽車行業(yè)基本涵蓋了幾乎所有的應(yīng)用圍，光纖、 C02、碟式和二極管激光器都可以選擇使用。尋求平衡這些激光源最主要的區(qū)別是光束質(zhì)量、亮度和波長。光束質(zhì)量指的是激光的 可聚焦性，亮度指被聚焦光束的功率密度。舉例來說，C02激光器和光纖激光器 的光束質(zhì)量差不多，這樣如果其他參數(shù)都一樣的話，它們可以聚焦成為直徑相同 的光點(diǎn)。光纖激光源的波長是C02光源波長的十分之一，因此光纖激光源可以產(chǎn) 生的光點(diǎn)直徑就是C02光源的十分之一；而光纖激光源的光束質(zhì)量和亮度則更 好。在激光焊接中，熔深和速度是與光束質(zhì)量和亮度成正比的，而焊接穩(wěn)定性和 容差與光束質(zhì)量和亮度卻沒有那么直接的關(guān)系。因此，焊接性能和

9、質(zhì)量以及工藝 窗口的寬度之間必須尋求一種平衡。需要知道的是，為了滿足實(shí)際需求，可以將 光束的質(zhì)量調(diào)低，但是無法將較差的光束變好。在0. 25in熔深時，以上幾種激光器的焊接速度非常接近；光纖和碟式要比 CO2速度快，而二極管要慢于CO2。采用較高功率激光器進(jìn)行焊接通常需要兩班 倒的方式，這意味著選擇哪一種激光器還與采購激光器的成本有關(guān)。雖然CO2激 光器擁有大量的用戶，而且他們對這種技術(shù)也非常熟悉，不過與光纖、碟式和二 極管激光器相比，CO2激光器單次焊接的成本要高很多。激光焊接在熔深需求超過0. 25in的焊接應(yīng)用中與等離子和弧焊相比要更有 優(yōu)勢，可以大大減少熱變形。熱變形的減少可以維持部件的幾何形狀，這樣就不 必再對部件幾何外形進(jìn)行重新處理。部件配合在這種厚度下可能會帶來問題，可 以采用填絲或?qū)⒓す夂概c等離子焊及弧焊相結(jié)合的工藝流程。結(jié)論激光焊接的激光源有很多種，每一種都有其特性，適用于不同的需求。用戶 要充分了解哪一種激光源最能滿足他