激光复合焊工艺在造船厂的应用（二）

HEATS

    工业用单模IPG光纤激光器的最大功率通常为200瓦。更高功率的激光器的生产需用光纤激光组束技术。将各个光纤激光的输出通过组合器组合为一束，成为单一的高质量的激光束。例如，一个1000瓦的激光器会由10个单独光纤激光组合而成。尽管此时的激光束已不再是单模的，但其光模质量因子M2为7~10，比大功率的固态激光器要好。300微米光纤可传输7千瓦的光纤激光。多种不同形状包括产生近似矩形截面光束的光纤都能被生产出来。  
    掺镱光纤激光器的效率是16~20%。掺铒和掺铥光纤激光器的效率稍低，但仍比典型的YAG激光器高得多。获得最好的波长选择是其必然的应用。由于工业生产的需要，具有Nd:YAG激光器的性能并且对眼的安全比CO2 好的激光器将被生产出来。公司的单模CW系统能在脉冲周期短至10毫秒时，被调制到5000Hz。脉冲周期短至1纳秒或在100纳秒脉冲内脉冲能量不超过1毫焦耳的三种叠加脉冲激光器和功率从300瓦到10千瓦的多模CW激光器已面市。 
    光纤激光技术为工业用户提供了诸多益处。不需冷却器的光模质量因子为0.5M2的4千瓦光纤激光器比之传统的11M2的气体放电灯泵浦的Nd:YAG固体激光器自有着天渊之别。因为不需更换闪灯或半导体，它们在整个使用寿命里不需维护及维修。极高的用电效率大大的减少了使用成本。更好的激光束质量让用户可以享用比传统激光器的大影响区和/或长的工作距离优越很多的直径极小的光斑（1千瓦激光能被4英寸透镜聚焦成50微米）。  
    光纤激光技术的成本呢？低于1000瓦输出功率的光纤激光器比灯泵浦的YAG激光器低或与之差不多。但这时大于1000瓦的光纤激光器的购入成本较高。然而，当将所有的因素考虑进去—-占地面积，冷却器，维护费用等等，光纤激光器比等功率的棒式Nd:YAG激光器要廉价得多。在最近半年内，多台几千瓦级的光纤激光器正处于在欧洲工厂的第二测试版本的运行环境中。这些激光器在多班倒的工作强度下至今没出任何问题，就其可靠性，达到相同的效果以往只能是用功率大得多的激光器。2千瓦的Beta测试版光纤激光器已经在实验室里焊接1.2mm的汽车镀锌板达到5m/min的焊接速度。而其质量和性能堪比使用4千瓦的灯泵浦Nd:YAG激光器。末端光纤直径为300微米的2千瓦光纤激光器能以10m/min的速度切割4mm厚的带镀层板，且无毛刺。最大的切割速度可达16m/min。  
    再来看看7000瓦的光纤激光器与弧焊工艺相结合的情况，在Fronius（福尼斯）-Wels总部研发部的LaserHybrid激光复合焊实验室里已能焊接8mm厚的低合金和高合金钢板。 
    3 4000瓦灯泵浦固体激光器的工件焊接研究：  
    由于目前Nd:YAG激光器的输出功率已超过4000瓦，再加上其操作简单，如何将其技术工艺简单的应用到生产实际中被提上研究课题。我们先来看看所有目前已被使用的CO2 和/或Nd:YAG激光器的应用和研究。不利的是需对等离子体进行保护,这是由于仅为10.6μm的波长而且精细的激光束需通过结构无弹性的光学镜系统进行传导，这些都使得CO 2 激光器在生产实际中不能涉足移动应用领域。但这种机器人或移动应用概念的实现对于Nd:YAG激光器来说显得轻而易举。在过去的十年中这种类型的固态激光器在工业的重要领域上获利颇丰。由于它的波长只有1.06μm，激光束能被柔性的光纤所传导，即便是长达70米传导距离，这些都使得应用机器人在三维空间里的自由的焊接工作成为可能。没有了需对等离子体保护的影响，于是在气体保护焊工艺中就能使用最恰当的保护气优化电弧稳定性，熔滴过渡，无飞溅金属熔接以及对热影响区的保护。多工位激光系统只需用一个激光源供给能量。这样优化了激光源由于启动运行本身所需的成本。大功率的Nd:YAG激光器的激光源在市场推出的时间较短，所以其价格(?kW)相应比CO2 激光源要高。但是其输出功率较高，能高达6000瓦。在日本已完成了对10 000瓦级的激光器的尝试。不要忽视激光发射光的危害，即使是相隔数米的距离也会对未加保护的眼睛造成伤害。  
    欧盟的DockLaser计划是通过研发用于船舶建造和维修的装配作业区域的激光工艺技术和设备，达到提高生产力和生产质量，改善作业的灵活性和生产工作条件的目的。这些区域的共有特征是焊接工艺的效率低、热输入量大，从而导致焊接变形和对工件油漆表面及舾装部件的损坏。该计划详细说明了船坞作业区的激光工艺的应用实例，需求和目标，来开发焊接/切割工艺和设备。操作安全和规范是整套设备工艺的着重点。接近于最终用户那儿的检测实际要求和生产原型，将帮助实际生产条件下的效益评估和适用性的实现。  
    3个主要的应用领域为： 
    利用行走机构来焊接长直角焊缝；  
    完成自动化焊接大型工件的定位焊；  
    在船舶舾装作业中应用手持操纵激光焊接和切割。  
    DockLaser计划从准确锁定需求阶段开始，包括详细的调查造船厂需求以及现有被正式承认且操作安全的技术。在接下来的研发阶段将创立3种应用领域（长直角焊缝，定位焊和舾装作业）的解决方案。任务点2将针对实验室开发工艺，任务点3将开发出之前设想设备所需零部件，任务点4将在实验室集成和测试设备，任务点5将重点放在认证和使用安全上。最终评估阶段将把整套系统投入最终用户，在生产实践中进行检验和评估。起先每一个最终用户承担一个应用领域。任务7是与工业联合会一道将其作为主要生产手段进行推广。任务8是对此项充满挑战性的工程进行技术方面和行政管理的完善。  
    来自5个欧盟国家，一个合众国的12 个力量雄厚的盟友共同承担这个计划的实施，这个联盟包括5个制造工程师协会另外加上3个最终用户，4个焊接学会，1个专业级协会和4个设备制造商。他们有着极其丰富的激光工艺技术的经验。对实践应用的反馈和传达的协调任务由工业联合会负责。龙门架系统最大的缺点就是沉重和方向依赖性强。给定系统的工作方向必需大致沿焊缝方向。6轴机器人焊接系统的局限性是最长的焊接长度只到2米。 
    最终，开发的装有LaserHybrid 焊头的移动牵引车是所有这些问题的解决方案，手工操作便能实现方位转换。操作所需范围比龙门架系统要小得多得多。减少光学元件移动的结果是保护激光光纤不受机械应力的损坏。工艺参数的调节最好需在焊接电源上调节，因为气体保护电弧焊的特性并不十分适合复合焊工艺。它能对激光束和焊头焊缝跟踪系统进行非常精确的调节。如果使用特殊的激光光学元件，还可用改装的移动牵引车焊接角焊缝。为了保护光纤抵御来自焊接作业区的反射，激光束的轴线需向焊接方向倾斜一个角度。而焊接效果不会因此受到影响。  
    结论  
    Laser-GMAW复合焊是一种全新的工艺，它在造船工业有着广泛的用途，尤其是一些激光焊不可能达到或从经济成本上来考虑不能满足其所需的装配公差的场合。如此广泛的应用范围和高性能的复合焊工艺使得在当前利润日渐萎缩的形势下竞争力极大的提高，制造时间减少，生产成本降低且生产力提高。激光复合焊最大的优点就是焊接变形小并且减小了焊后处理的工作量。  
    当前的研究表明大功率CO2-、YAG-、或光纤激光器与GMA 相结合的LaserHybrid激光复合焊工艺可应用于各种板厚的焊接。复合焊工艺的优势在于其优良的焊缝搭桥能力和非常低的线能量。与激光填丝焊相比，激光复合焊工艺（LaserHybrid）可将焊接速度提高两倍。在板厚不超过15mm时，其最大焊缝搭桥能力为1mm的间隙。