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激光光束成形是激光焊接的未来吗? Is Beam Shaping The Future Of Laser Welding?

全光纤技术为各种工业焊接工艺提供了即时光束成形技术,无需更换大块光学元件和激光头而提高生产率和质量。

图1.Corona光纤激光器的光束直径和近场光束图像,这三个引导区域在全激光功率下用CMOS相机拍摄的图像中很明显,采用二次矩阵法结合图像中计算出对应的直径。

 

作者:Brian  Victor 《工业激光解决方案》编辑顾问

      Dahv  Kliner 《光纤激光技术》副总裁

Michael Hepp   工业光纤激光器产品线经理,

 

在替代焊接技术的众多性能和成本优势的推动下,工业激光焊接技术继续快速增长。随着激光焊接技术进入现代制造业并为金属制造商提供新功能和新应用,终端市场正在发生前所未有的变化。例如,电气化和燃油经济性要求不断驱使汽车制造商在设计、组装和焊接方法等方面进行创新。

光纤激光加工是应对这些制造业机遇的关键技术之一。与智能工厂自动化相结合,光纤激光器为不断增长的焊接市场提供了高度可靠,经济高效的解决方案。

与传统的焊接工艺相比,激光可以通过精确的低热量输入焊接显着提高生产率,从而提高零件质量,并提高生产率。光纤激光器的高功率和出色的光束质量实现了“匙孔焊接”,其特点是在高行进速度下具有高纵横比的焊缝轮廓。除了提高生产率之外,狭窄的熔合区和匙孔激光焊接的高速产生的变形也很低,而且受热影响的区域也很小。

使用较大的激光光斑尺寸(具有较低的功率密度)会导致较浅的“热传导焊接”,这有利于美观焊接并最大程度地减少了后处理步骤的需求。在这两种焊接模式之间转换以及针对不同材料和接头设计的焊接性能优化需要在工件处使用不同的束流特性。

 

波束成形优化

数十年来,工业激光器提供了固定的输出光束特性。尝试针对每种焊接应用,优化固定光束轮廓的方法主要限于调整过程头的光学放大倍数。尽管少数应用使用光束成形光学器件来改善激光焊接工艺,例如在沉积工艺中使用双楔形光斑来减轻锌蒸气,或在环形工艺中使用环形棱锥,但这些传统方法却增加了成本和复杂性,增加了工艺成本,因而没有被广泛使用。

最近有研究表明,光纤激光束形状由被圆环或“圆环”围绕的中心激光点组成,可以大大改善匙孔焊接的稳定性。这种光束的形状可以减少飞溅和孔隙率,从而提高接合强度和熔合区的均匀性。

对于热传导焊接,与传统的放大或散焦平顶光束相比,高强度环状对于相同的焊接轮廓可以显着提高生产率。无论是匙孔还是热传导模式,最佳的光束尺寸和形状都取决于合金、厚度和所焊接接头的性能标准。

 

光纤激光器的突破

为避免自由空间光学方法的弊端,nLIGHT Corona光纤激光器使用全光纤技术,可以直接调节来自反馈光纤的光纤激光束的大小和形状。这些光纤激光器可提供多种光束形状和尺寸,并允许快速进行实时光束调谐,而不会损失任何功率、稳定性或可靠性。

Corona反馈式光纤分为引导激光束的同心区域,可适应多种应用。在一种配置中,直径为100 µm的中心纤芯的反馈式光纤被两个直径分别为200 µm和300 µm的环形引导区域围绕(图1)。通过改变这三个引导区域之间的激光功率分配,调整光束直径和形状,将光束直径从大约100微米调整到350µm(第二矩阵定义),并在其中使用相应的光束参数乘积(BPP),其范围为3~18 mm-mrad。

该技术的关键和前所未有的特征是光束形状的调整可在光纤内完成的,无需自由空间光学器件,从而保持了光纤激光器的所有性能、稳定性、效率和可靠性优势。与光束组合方法不同,光束组合方法将独立的激光源发射到不同的引导区域,因此需要在大多数光束设置中都无法获得的过量激光功率,因此在每种光束设置下都可以使用全部激光功率。

Corona技术可提供多种光束形状的,包括平顶、具有不同大小和厚度的环形,以及由具有不同能量分配的环形围绕的平顶光束。尽管可以在最小和最大光束尺寸之间连续调整光束形状,但对于工业应用,通常首选固定数量的设置(或“索引”值)。

这些光纤激光器的另一个优点是光束调谐非常迅速,从最小直径到最大直径的过渡时间小于30 ms。在更改索引期间,光纤激光器将继续以全功率运行,而无需在改变光束形状时关闭(或“消隐”)激光功率。这种快速调校可以为每个焊缝(或每个焊缝的起点和终点)使用最佳的光束特性,而不仅仅是针对不同的零件或不同的工作。

Corona光纤激光器首先应用于钣金切割,与传统的光纤激光器相比,在切割低碳钢、不锈钢、铝和铜时具有显着优势。 目前,市场上有几种基于Corona技术的切割系统,能够在不改变任何硬件的情况下优化厚薄材料的切割[2]。最近,在焊接应用中也显示出类似的光束整形优势。

 

降低钢焊接的飞溅

激光焊接通常分为两种操作模式:匙孔模式和热传导模式。在匙孔焊接过程中,激光束具有足够高的功率密度以蒸发金属。在焊接过程开始的最初几ms内,激光能量会熔化并蒸发一小部分金属表面,金属蒸气迅速膨胀并从表面逸出。这种蒸气喷射在熔池的液体表面上产生反冲力,形成一个凹陷,使激光束更深地传播到金属中,从而熔化并蒸发更多的基材。

进一步的金属蒸发会增强蒸汽的后坐力,从而将更多的液态金属推向激光束。这种熔化/汽化过程一直持续到在金属表面形成一个深而狭窄的圆柱形空腔为止。由于在焊池表面上可见的小而深的开口的外观,该腔称为“匙孔”。通过强烈的激光相互作用产生的不断逸出的金属蒸气,使该匙孔保持打开状态。

钥匙孔焊缝熔合区的穿透轮廓非常狭窄,且纵横比(深度/宽度)高。为了产生具有恒定熔深的光滑焊接表面,蒸气腔必须非常稳定。如果匙孔不稳定,则在激光焊接过程中会产生不连续的间断。

当光致蒸汽努力使匙孔保持打开状态时,诸如表面张力和重力之类的力试图使狭窄的蒸汽腔的液壁塌陷。当匙孔间歇性塌陷时,会出现不连续现象,例如孔、飞溅和表面不规则。

图2.匙孔的不稳定导致飞溅的产生和熔深的降低。时间t1-稳定的匙孔焊接工艺; 时间t2–匙孔不稳定导致开口关闭;时间t3-匙孔被激光汽化力重新建立,导致材料弹出(飞溅)并失去穿透深度。

不幸的是,匙孔中的微小不稳定性会导致飞溅的产生(图2)。当液池塌陷并关闭匙孔时,激光汽化会重新打开型腔,从熔池中喷出小滴(飞溅)。

在焊接中碳钢和高碳钢时,飞溅的产生非常普遍,并且使用标准的加工技术很难避免(图3)。中碳钢(AISI 4140)的焊接横截面表明,尽管有飞溅,但对熔深曲线没有明显影响。

图3.厚度为6mm的AISI 4140钢在3200 W功率下以3.0 m / min的焊接速度进行的自熔焊的照片。显示飞溅和焊缝不规则(a)。尽管有飞溅,横截面(b)仍显示出典型的穿透轮廓,底切最小。

尽管这种情况导致焊接良好,但飞溅仍然是产品或工艺的主要问题。例如,在动力总成焊接应用中,飞溅是不可接受的,因为最终产品中的金属颗粒会损坏组件。另外,飞溅物在焊接夹具上的积累会导致工艺影响、清洁夹具的停机时间或昂贵的易耗工具。

持续降低飞溅的最好方法是提高匙孔的稳定性并防止蒸气腔塌陷。从过往经历来看,为实现此目标,用户尝试将过程移出焦点范围形成正离焦以产生更大的光斑,并具有更好的高斯形状分布。这种方法通常比较有效,但是对过程隔离更为敏感,并且会大大降低功率密度,从而大大降低加工速度或熔深,或两者兼而有之。

另外,功率调制在焊接过程中通过振荡激光功率在改善匙孔稳定性方面已显示出一些成果。该技术适用于某些合金,但需要较高的峰值功率才能保持等效的平均功率、速度和熔深,并且对工艺变化非常敏感。最近,光束振荡或摆动可改善多种金属中的小孔稳定性已得到证实,但由于扫描频率和实际激光功率的限制,执行稳定小孔摆动焊接的最大线性移动速度相对较低。

图4. 放大示意图显示正常匙孔开口(a)和具有优化Corona光束形状的匙孔开口(b)。通过增加匙孔的尺寸,蒸气腔的液壁不太可能塌陷,从而导致焊接更稳定且不连续更少。

但是,通过光纤激光束成形,用户可以将激光功率定向到需要打开匙孔的位置,而不会显着影响行进速度或穿透深度。围绕中心光束的激光功率的环形可以加宽匙孔的开口,以避免蒸气腔塌陷(图4)。

对于钢的焊接而言,中心光束提供了主要的穿透力,而附近的圆环则在匙孔的顶部产生了额外的汽化作用,从而始终保持扩大的开口。对于平板堆焊,过程中可以增加圆环包含的激光功率的比例(图5)。在恒定的激光功率和速度下,焊缝宽度随着环空功率的增加而增加,并且在焊缝横截面中相应的纵横比变化是明显的。对于前面讨论的相同的中碳钢合金,Corona指数设置5和6显示最低的飞溅生成,同时达到4 mm的目标穿透深度。

图5. 比较了4种不同Corona指数的6mm厚AISI4140钢在3000 W功率和3.0m/min焊接速度下的自熔焊缝。指数5和指数6焊缝的表面照片显示,与图3中的基线情况相比,飞溅减少了很多。

以中碳钢自熔焊为例,对比了采用标准的激光束形状和优化的光束焊接汽车动力总成的过程(图6)。从视频静止图像中,两个光束形状产生了相当不同的“火花”(由小的飞溅粒子产生,这些飞溅粒子在被压缩空气交叉射流推开时正在燃烧)。值得注意的是,优化的光束情况没有飞溅。同样,在检查表面照片时,焊缝和周围的法兰上也没有堆积的飞溅物,表明对周围部件的飞溅物污染最小。

图6.采用相同的焊接速度和不同的激光功率和两种Corona指数完成得动力总成焊接实验过程比较。对于标准激光光斑(平顶光束),视频静止图像和零件表面照片(a)中显示出明显的飞溅,使用Corona优化束形的焊缝可显着减少飞溅(b)。

如本汽车焊接示例所示,与用于金属加工的传统光纤激光器和大块光束传输技术相比,光纤束整形是一项重大改进。除了自由调整光束形状显著提高匙孔稳定性、减少飞溅、减少孔隙率以及改善焊接美观性之外,光纤内光束整形还消除了对外部光纤耦合器和开关、电动光学器件或变焦处理头的需求。通过快速光束形状切换(<30 ms),Corona光纤激光器可在需要的时间和地点提供100%的功率,以最佳状态地处理各种材料、接头设计或工作,从而提供前所未有的性能多样性。

由Corona激光器提供的全光纤束成形技术已经在钣金切割市场中确立了地位,使其焊接方面的优势可以满足日益增长的既定和新兴应用的需求,从而推动了工业激光焊接市场的新增长阶段。(杨瑾译)

参考文献

1. D. Kliner, R. Farrow, and B. Victor, Laser Focus World, 55, 4, 45–48 (Apr. 2019).

2. D. Kliner and B. Victor, Industrial Laser Solutions, 33, 5, 23–26 (Sep/Oct 2018).

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