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如何选择激光连续焊和脉冲焊?

                           发表日期:2023-2-28

在激光焊接领域,一旦一个激光焊接项目摆在我们面前,几乎首要考虑的是采用脉冲焊接还是连续焊接。因为这个问题涉及到成本、工艺、加工效率、光源以及后期设备改造升级等诸多因素,所以不得不慎之又慎。本文简要阐述了两种焊接工艺的原理、光源、光束特性、特点以供参考。

一、原理

激光器的分类方法有很多种。例如,按波长分类,激光可分为红外线、可见光和紫外线;按激光器的工作物质分,有CO 2 激光器、光纤激光器、Nd3+:YAG固体激光器等,而连续和脉冲根据激光器的工作模式来确定。

一般来说,激光束在谐振腔内来回时会输出一次,来回时会形成多次输出(也称为高频振荡)。
当输出频率高到某一临界值时,我们称之为连续光输出,否则称为脉冲光输出,对应的激光器有连续激光器和脉冲激光器。但是,学术界和业界对两者的划分并没有统一明确的标准。
通俗的说法是重复光频率在102Hz及以下时为脉冲(以下简称脉冲),102~103Hz为准连续(以下简称QCW),103~106Hz为连续(以下简称QCW) CW),而106~109Hz甚至更高的是超连续谱。
例如,在我们熟悉的金属切割领域,IPG、锐科等光纤激光器的典型频率参数为5000Hz,而早期的Nd3+:YAG固态激光切割机的典型频率为300Hz。
在功率参数方面,CW激光器一般只给出功率,而脉冲激光器会给出单脉冲功率、平均功率、脉冲宽度和频率。

二、激光光源

在金属激光焊接领域,一般来说,脉冲焊接使用的激光器基本都是Nd3+:YAG固体激光器,而连续焊接的情况大多使用光纤激光器。
然而,随着激光技术的缓慢发展,两者的界限开始变得不那么清晰。
Nd3+:YAG脉冲激光器的特点是脉冲光输出,光输出频率低。小功率激光器可以发射超高脉冲能量。例如500W的脉冲激光器单脉冲功率可达12KW甚至更高。这样,相同功率的脉冲激光的焊接熔深大于光纤(连续)激光。
CW激光器的特点是输出频率超高,单脉冲能量相对稳定且低。

有一个简单的类比可以说明它们之间的区别。
对于这两种工作模式,脉冲焊接类似于打桩机打桩。速度虽慢,但每次冲击的分量都很大,而连续焊接更像是电锤敲钉子。每次用力很小,但锤击速度很快。

三、光束特性

众所周知,CW(光纤)激光器发出的光束是典型的高斯光束,即光心处的功率密度很高,沿光心方向功率密度迅速下降。
脉冲激光的光强呈平顶分布,即能量在垂直于光束的表面上近似均匀分布。

如何选择激光连续焊和脉冲焊?

四、焊接工艺

连续焊接的光输出频率很高。如果采用良好的焊接保护和适当的焊接参数,可以获得均匀光滑的焊缝,基本上不需要打磨或抛光。
由于脉冲焊光频低,工作时可听到清脆断续的敲击声,得到扁平的鱼鳞焊,类似于氩弧焊,或按要求形成完整的单点焊点。

在加工过程中,连续焊只需选择合适的焊接轨迹、运行速度、功率等几个参数,比较简单,而脉冲焊则需要综合考虑脉冲宽度、光输出频率、单脉冲等诸多参数。功率、跑速和脉搏波形,比较复杂。

此外,光纤激光束在光心处的能量密度非常高,在目前的技术手段下,可以将激光束耦合到纤芯直径极细的能量传输光纤中,因此中高功率光激光器非常适用于深熔焊,获得大深宽比的焊缝。
脉冲激光束的平顶分布对于以薄板拼接焊为代表的热传导焊接具有很大的优势。

五、总结

由于其高稳定性、低功耗、高效率、极高的光束质量和能量密度,连续(光纤)激光器在焊接领域不断占领原本属于CO 2 激光器和Nd3+:YAG固态激光器的市场近年来,市场份额不会继续扩大。
例如,光纤(连续)激光器在汽车零部件领域基本用于焊接。随着光纤激光技术和直接半导体激光技术的不断发展,连续焊接将应用到更多领域。

此外,连续焊接加工以其高效、稳定的特点,非常符合制造业从手工、半自动生产模式向智能化、自动化生产模式转变的大趋势。
Nd3+:YAG固体激光器具有成本低、使用简单、维护方便等特点,许多特殊材料和特殊焊接要求需要脉冲焊接,这也使得脉冲焊接存在于未来很长一段时间。

如何选择两种焊接方法是需要综合考虑的问题。应考虑价格、使用成本、工艺要求和生产效率等因素。

       
   
 

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