详解高功率光纤激光器远程焊接技术.pptx

率，改善其加工的灵活性。RLW的试验研究工作最早出现于1996年，由JohnMacken提出。RLW的主要特征是长焦距（可达1600mm）、高功率、高光束质量激光源与振镜扫描装置的完美结合。与传统激光焊接工艺相比，RLW加工的灵活性更好，速度更快，周期更短。一直以来，RLW技术研究工作被应用于各种类型的激光器。波长1080nm的高功率光纤激光器不仅能够实现激光束的光纤传输，还能够强化加工的灵活性及聚焦的精准度。而CO2激光器由于波长较长（10.6μm），所以生成的光束不可能通过光纤传输。高功率光纤激光因其合适的波长及优良的光束质量，在RLW应用领域具有无可比拟的优势，是取代传统CO2激光和Nd:YAG激光的理想选择。RLW的工作原理是通过振镜扫描对激光光束进行反射和定位，使其以高速传输到工件表面[9]。现在，在RLW领域应用最为广泛的是2D扫描。2D扫描单元其实是一个振镜系统，包含两个可电动旋转的轻型扫描镜。该系统可处理5kW输出功率，比3D扫描更经济。当然，RLW也面临着诸多挑战，比如对预加工的要求、对焊接质量和稳定性的要求、需要提供保护气体、需要特别注意镀层薄板的夹持和定位等。与传统的激光焊接相比，RLW需要关注的工艺参数更多。这些参数大致可以分为光束质量、加工参数及材料属性三大类。2.远程激光焊接工艺2.1.工艺原理RLW的理念并不是特别新奇，其原理主要是通过扫描仪，在工件上方一定距离对聚焦的激光光束进行反射和定位，焦距通常在1000~1600mm之间。1996年，JohnMacken进行了第一次RLW试验，采用焦距为1600mm的激光实现了小孔模式焊接，该试验被认为是RLW工艺发展史上的里程碑。扫描仪能够帮助激光光束正确投射在面积为1m×1m，甚至是超过2m3的大型工件上，焊接速度可达30m/min。一般RLW工艺有两种工作模式：集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统。集成扫描仪的RLW系统是利用一个扫描单元（一般为2D扫描仪）对激光光束进行定位和聚焦，如图1（a）所示；而基于机器人的RLW系统则是指通过一个长焦距激光光学镜与一个六轴机器人完成操作，由机器人负责激光光束在工件表面的定位，如图1（b）所示。(a)(b)图1.集成扫描仪的RLW系统（a）和基于机器人的RLW系统（b）与基于机器人的RLW系统相比，集成扫描仪的RLW系统可应用于多种领域，且加工周期更短，精准度更高，但是这种系统对激光光束的质量要求也比基于机器人的RLW系统高很多。表1为集成扫描仪的RLW系统和基于机器人的RLW系统与传统激光焊接的性能比较。表1.远程焊接工艺和传统激光焊接工艺的参数对比1=很差/很低；2=一般；3=良好2.2.配置条件要想获得好的远程焊接结果，必须满足以下三个条件：1.一台确保激光光束正确传输和定位的扫描仪2.一台能够进行长焦距作业的高质量高功率光纤激光器3.全面正确地控制工艺参数2.2.1.扫描仪扫描仪将确保光束根据所需的焊接路径在工件表面正确引导，并快速定位。高度灵活的轻型扫描头能够使光束在焊点之间极为快速地移动，这也就意味着定位所需的时间将远远低于传统激光焊接工艺。图2所示为一个扫描头的典型元件。扫描单元主要由一组振镜和透镜构成。在远程焊接中，激光光束首先会通过透镜。透镜可以沿着光轴移动，从而改变焦点位置。激光光束通过X振镜和Y振镜被相继反射和引导，最后沿着既定的焊缝，在工件表面精确聚焦。图3表示一个典型的2D扫描仪系统，其中包括焊缝追踪传感器，直线投影设备以及高灵敏度的2D扫描单元。图2.构成扫描头的典型元件图3.2D扫描仪系统的主要部件2.2.2.高功率光纤激光器近年来，高功率光纤激光器实现了快速发展，在材料加工应用领域已经表现出极具优势的特性。具有极佳光束质量的高功率光纤激光器可以提供超高的功率密度峰值，能达到几个MW/mm2量级，这对于长距高速远程激光焊接而言至关重要。大量研究数据表明，高功率光纤激光器有许多优势，例如：电光转换率高极佳的光束质量使用寿命长，因此运行成本相对较低通过光纤传输的激光光束更具灵活性对多数金属薄板的吸收系数高设计紧凑，便于移动如图4所示，一个配有高功率光纤激光器的RLW单元由工业机器人固定，并配备一个焊接头固定装置。研究显示，远程光纤激光焊接可以进一步提高焊接速度，减少焊丝、焊枪等的损耗，减少对工具及部件的紧固要求，降低传统焊接工艺所需负担的持续性维护成本。图4.配备5kW光纤激光器的RLW单元2.3.RLW的典型特性与传统激光焊接工艺相比，集成扫描仪的远程激光焊接系统具有诸多优势，例如灵活性高、加工周期短、生产速度快，焊接效果好，性能均一稳定，高度自动化，使用材料少、维护需求低，所以能够降低生产成本；热量输入少，有助于减小热变形；机型设计紧凑，占地面积校2.3.1.高效生