大功率激光焊接的工艺研究及应用

         目前，大功率二氧化碳激光设备已经在国内广泛应用，对于大功率二氧化碳激光焊接工艺的研究在过去的二十年间也取得了丰硕的成果。在针对焊接工艺的研究中，我们发现，作者大部分都是针对激光功率、速度等参数的变化对焊接结果的影响进行试验和讨论，而对激光焊接的工艺研究以及应用的讨论却麟毛凤脚。
        
        事实上，我们对比国产设备和进口设备的差异，发现国外的激光设备制造厂商对于大功率激光焊接的工艺研究以及应用已经走在了国内厂商的前面。例如对板材拼缝焊采用双光束聚焦（图1），对圆弧形焊缝采用三光束聚焦，对不同深度的板材或者工件焊接采用焦点间距可变的双光束聚焦（图2）。
 

        对于这些激光光束和焊接效果的对应关系的研究或者是对焊接过程的量化分析，也是建立在通过获取激光光束的定量和定性分析结果的基础上。而目前绝大部分的光束分析系统都是基于CCD或者CMOS探头，面对数千瓦甚至数万瓦的输出功率，基本是无能为力。即使是通过分光或者衰减最终获得的图像也不能保证图像和真实光束的一致。这也是国内的焊接工艺的研究者很少从光束能量分布的角度去研究焊接工艺的原因之一。

        图3（图片来源：Primes公司产品资料）是对大功率或者光束直径较大的光束分析测试系统的结构原理。我们可以看到图中蓝色的探针，顶端是一个极小的45度反射面，在光束的截面中取出一点反射至探测器件。探针安装在伺服系统之上，使其可以在整个光束截面内移动，最终得到光束截面的能量分布。事实上此类产品更加适应于进行大功率激光器的光束质量测试。
        
        而对焊接工艺的研究和控制能够起到更大指导作用的则是焦点分析系统。焦点分析系统的工作原理和Beam Scanner类似，但是它的探测面不仅能在光束截面中移动，还能够沿光束方向取多个横截面，最终得到类似于医学CT图像的焦点光束的空间分布图形（图4）。而通过这个测量结果可在软件中得到焦点光束沿轴线的剖面以及所有的特性参数（图5）。

本文关键字：激光焊接  机床，应用领域 - 机床