在工業(yè)焊接領(lǐng)域，激光焊接由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)日益引起各國的重視。隨著激光器的快速發(fā)展，光纖激光器不僅在焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性上超越了其他的傳統(tǒng)焊接加工方式，且在經(jīng)濟(jì)性上也能得到很大的提升，焊接金屬和合金能夠獲得更多的新功能和更高的靈活性，應(yīng)用越來越廣泛。高功率光纖激光器穩(wěn)定性好，光束質(zhì)量高，而且使用方法簡便，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，在汽車、船舶和航空等制造行業(yè)已經(jīng)得到成功應(yīng)用，有迅速替代傳統(tǒng)的YAG和CO2 激光器的趨勢(shì)。
目前，高功率光纖激光器已成功應(yīng)用于低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳基合金等黑色和有色金屬材料的焊接， 取得了豐富的研究成果。光纖激光器作為一種新型激光焊接設(shè)備，具有更高光束質(zhì)量和輸出功率，其焊接行為和焊接特征與氣體激光器差別較大，還有待進(jìn)一步深入研究。本文重點(diǎn)介紹高功率光纖激光焊接特點(diǎn)、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)。
高功率光纖激光焊的特征及優(yōu)勢(shì)
光纖激光以光纖作為工作介質(zhì)，其激光波長為1.07 μm，目前，摻鐿光纖激光器最高輸出功率可達(dá)100 kW。由于光纖激光波長為CO2 激光的1/10，焦點(diǎn)光斑直徑也較小，因此，光纖激光與CO2激光的焊接特性呈現(xiàn)多方面差異， 有資料表明這種差異與不同波長激光和材料間的耦合特性相關(guān)，具體表現(xiàn)在等離子體和匙孔行為及其耦合作用、材料對(duì)激光能量的吸收、焊縫成形及焊接缺陷等。
一方面，由于材料對(duì)激光的吸收與材料種類和激光的波長有關(guān)，輻射激光波長越短、材料導(dǎo)電性越差，金屬對(duì)入射激光的吸收率越高。特別是鋁合金激光焊接深熔閾值與激光器波長及光束質(zhì)量密切相關(guān)，光束質(zhì)量越好，激光波長越短，則激光深熔閾值越小，因而針對(duì)同種合金，相比于CO2 激光，采用光纖激光更易獲得大的熔深。
徐國建等對(duì)比研究了光纖激光器和CO2激光器的焊接特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接速度和輸出功率相同時(shí)，光纖激光比CO2激光焊接可獲得更大的熔深及更窄的熔寬；在負(fù)離焦條件下，CO2 激光焊接的熔深減小比率大于光纖激光焊接。另外，有研究學(xué)者也發(fā)現(xiàn)兩種激光器焊接的熔化效率均隨焊接速度先增加后減小，分析表明兩種激光焊接熔化效率的差異與激光能量耦合的固有規(guī)律不同有關(guān)。因此，從焊接效率上考慮，光纖激光器更適合于高速焊接，而 CO2激光器更適合于低速焊接。
Gresev和 Kawahito 等分別對(duì)CO2 激光和光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖 1 所示。光纖激光焊接過程孔外金屬蒸汽 / 等離子體溫度場、形態(tài)、面積等特征參數(shù)與CO2 激光不同，導(dǎo)致光纖激光焊接過程匙孔和等離子體的動(dòng)態(tài)行為及物理特性必與氣體激光區(qū)別較大。
圖1 不同激光焊接金屬蒸汽/等離子體形貌
高功率光纖激光相對(duì)于其他類型的激光器具有在極高功率下保證良好的光束質(zhì)量的特點(diǎn)， 能夠?qū)崿F(xiàn)更大熔深的焊接，且利用光纖傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程柔性加工，在焊接工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，日益引起各國的重視。然而，光纖激光焊接特性與其他激光不同，目前對(duì)光纖激光焊接過程相關(guān)機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)還不夠深入，仍需相關(guān)研究人員圍繞光纖激光焊接特性進(jìn)行相關(guān)的研究工作。
薄板的高功率光纖激光焊接
光纖激光焊接具有高的光束質(zhì)量和焊接效率，較易實(shí)現(xiàn)鋼和鋁合金等薄板的焊接，焊接過程穩(wěn)定，且焊接質(zhì)量較好，已在汽車等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。由于薄鋼板激光焊接工藝較為成熟，焊接難度不大，目前，對(duì)薄板光纖激光焊接的研究主要集中在對(duì)激光反射較大的鋁合金和鈦合金等有色金屬材料上。
CuiLi等采用光纖激光-MIG 復(fù)合焊接技術(shù)焊接了1.5 mm厚工業(yè)純鈦，發(fā)現(xiàn)電流、焊接速度、絲光距、離焦量等工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面形貌、熔寬和接頭伸長率有重要影響，而對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響不大。另有研究發(fā)現(xiàn)，光纖激光焊TC4 鈦合金薄板的焊縫背寬比常常大于 YAG激光焊縫，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性均高于YAG激光焊接接頭。
VSchultz等利用 IPGYLR-1000SM激光器采用填絲焊的方法焊接了1 mm厚鋁合金，發(fā)現(xiàn)對(duì)接間隙小于板厚時(shí)，工藝選擇范圍較寬，且能獲得高質(zhì)量焊縫；通過調(diào)整工藝，間隙為板厚度的315%時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)搭接，對(duì)接板搭橋能力受所焊材料和焊絲成分的影響較大。
GCasalino等采用光纖激光 -MIG 復(fù)合焊接進(jìn)行3 mm厚AA5754 鋁合金焊接，發(fā)現(xiàn)高的激光功率有利于焊接過程的穩(wěn)定性并能夠獲得良好焊縫的結(jié)構(gòu)和幾何性能，而低的電流和電壓在熱影響區(qū)能獲得更低的殘余應(yīng)力。
與其他類型的激光器相比，光纖激光焊接具有能量更為集中、焊接變形更小和柔性更高等優(yōu)點(diǎn)，與其他熱源進(jìn)行復(fù)合或填絲能大大降低對(duì)接焊時(shí)的間隙裕度，減少焊接缺陷，提高接頭性能等，能較好地保證薄板的焊接質(zhì)量。對(duì)輕量化要求較高的航空航天領(lǐng)域利用激光焊接輕質(zhì)材料薄板具有更大的優(yōu)勢(shì)，其中，鋁合金等薄板材料的光纖激光焊接已成為各國航空界研究的焦點(diǎn)。因此，隨著薄板材料光纖激光焊接技術(shù)的成熟，光纖激光在薄板焊接中的應(yīng)用將會(huì)獲得更大的發(fā)展空間。
中厚板的高功率光纖激光焊接
多年來，焊接研究者一直在探索利用激光焊接厚板，但是嚴(yán)格的裝配要求、焊縫力學(xué)性能以及大功率激光器的高成本限制了厚板激光焊的應(yīng)用。與傳統(tǒng)CO2 激光焊接工藝相比，光纖激光厚板焊接工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這主要得益于金屬材料對(duì)波長為1070 nm光纖激光的反射系數(shù)更低，特別在焊接鋁、銅等高反射系數(shù)金屬材料時(shí)的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。光纖激光的高亮度特性可以顯著降低焊接過程對(duì)焦點(diǎn)位置的敏感性，從而降低了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的難度。另外，光纖激光與電弧復(fù)合焊接厚板能夠顯著降低工件熱變形現(xiàn)象，改善焊縫外觀并增加熔深。
光纖激光深熔焊接中厚板材料時(shí)，極高的激光功率和極快的焊接速度，使得材料在極短的時(shí)間內(nèi)被加熱、升溫、熔化并發(fā)生劇烈的氣化，焊接區(qū)域溫度梯度的變化、加熱和冷卻速率極快，即焊接熱循環(huán)特性與其他焊接方法和低功率激光焊接不盡相同，使得焊接接頭組織特征和性能都將發(fā)生變化，必將影響焊接結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能及失效行為。中厚板的光纖激光焊接國內(nèi)外已取得了一定的研究成果，但還處在應(yīng)用初期，焊接過程仍存在較多的問題沒有解決，如焊接過程穩(wěn)定性和缺陷抑制等，仍需開展系統(tǒng)深入的研究。
Mikhail Sokolov 等利用 IPGYLR 15000激光器對(duì)接焊20 mm厚低合金高強(qiáng)鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫熔深和接頭側(cè)面粗糙度緊密相關(guān)，當(dāng)表面粗糙度 Ra=6.3 μm時(shí)，能夠獲得最大熔深。
MGrupp等利用 IPT YLR-30000 激光器實(shí)現(xiàn)了大于30 mm熔深的304不銹鋼焊接，焊縫形貌和電子束焊接相差不大，但激光焊接不需要真空環(huán)境，沒有焊縫尺寸的限制。并預(yù)測激光輸出功率達(dá)到50 kW，就能獲得超過60 mm熔深。
SeijiKatayama等利用 IPTYLR-30000 激光器進(jìn)行304不銹鋼和5052鋁合金焊接，發(fā)現(xiàn)在高速下激光功率密度對(duì)熔深的影響較大，而在低速下只有更高的激光功率才能獲得更大的熔深。焊接過程等離子體的動(dòng)態(tài)行為與焊縫熔深的變化及飛濺、未熔合、氣孔和駝峰等缺陷的產(chǎn)生密切相關(guān)。
ZhangMingjun 等采用IPGYLS-10000 光纖激光器進(jìn)行12 mm厚304不銹鋼板焊接，發(fā)現(xiàn)離焦量是萬瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板過程中一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。
飛濺產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力是小孔內(nèi)蒸發(fā)蒸汽反沖壓力和高速噴射的金屬蒸汽 / 等離子體對(duì)小孔壁的摩擦力。圖2為12 mm厚不銹鋼光纖激光熔透焊焊縫形貌(焊縫背面駝峰缺陷)，只有采用輔助手段淵強(qiáng)制背面快速冷卻冤才能避免此類缺陷，如背面保護(hù)措施。
Cao等利用光纖激光 -MAG 焊接方法進(jìn)行了低合金高強(qiáng)鋼厚板焊接，能夠獲得窄的焊縫和熱影響區(qū)，且焊接殘余應(yīng)力和變形較小，復(fù)合焊接的熱輸入大于激光焊而小于 MAG焊接，MAG電弧的加入有利于增加焊縫熔深和提高焊接速度的。這種復(fù)合焊接方法已被成功用于焊接9.3 mm厚低合金高強(qiáng)鋼板。
Zhang 等研究了10 kW光纖激光焊接厚板過程焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用特殊的側(cè)吹保護(hù)，在激光功率和焊接速度分別為10 kW和0.3m/min時(shí)，可以使得焊縫熔深從18.2 mm 增大到24.5 mm。 隨后開設(shè)雙面Y型坡口，先后采用激光自熔焊對(duì)接打底，然后多道激光填絲焊接工藝，實(shí)現(xiàn)50 mm不銹鋼板的良好連接。
高功率光纖激光焊接的問題及發(fā)展趨勢(shì)
光纖激光器是焊接領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高速、大熔深焊接最合適的熱源之一。然而，大型工程項(xiàng)目焊接對(duì)于激光焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高。為了從根本上保證焊接接頭質(zhì)量，必須對(duì)光纖激光焊接機(jī)理進(jìn)行完整、透徹的理解及相關(guān)焊接輔助設(shè)備的開發(fā)。目前，高功率光纖激光焊接的研究主要存在以下幾方面的問題：
●中厚板光纖激光焊接過程易出現(xiàn)飛濺、表面塌陷與底部駝峰和釘子頭焊縫、焊縫表面成形一致性差等缺陷，焊接穩(wěn)定工藝窗口較窄，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和焊縫成形的可靠性仍有待提高， 相關(guān)機(jī)理及解決措施仍需完善。
●不同專業(yè)需求領(lǐng)域的專用配套大型精密控制光纖激光焊接設(shè)備缺失，配套技術(shù)缺乏，特別是激光加工外圍裝置，如導(dǎo)光系統(tǒng)，過程實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制、噴嘴、浮動(dòng)裝置。
●光纖激光焊接相關(guān)的工藝研究及焊接過程參數(shù)監(jiān)測及材料和控制技術(shù)研究仍不足，多數(shù)都停留在試驗(yàn)室階段，離工業(yè)化應(yīng)用較遠(yuǎn)。
●光纖激光-電弧復(fù)合焊在提高焊接靈活程度的同時(shí)也增加了工藝的復(fù)雜程度，控制和調(diào)節(jié)影響焊接接頭質(zhì)量的參數(shù)就非常關(guān)鍵，這需要大量系統(tǒng)的工藝試驗(yàn)建立數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)。
雖然高功率激光焊接技術(shù)存在上述問題，但其優(yōu)勢(shì)明顯，體積小、質(zhì)量輕，可直接搭載機(jī)器人進(jìn)行焊接，也可用光纖傳送焊接，具有更高的加工精度和加工速度，同時(shí)能夠焊接的材料種類將逐步增多，焊接厚度將進(jìn)一步增加。另外，其輸出功率控制特性好，結(jié)構(gòu)極為緊湊，維護(hù)簡單，這些特點(diǎn)使光纖激光器在自動(dòng)化的激光焊接系統(tǒng)中顯示出巨大的生命力，必將成為激光焊接的重要發(fā)展方向。
結(jié)語
大功率光纖激光焊接技術(shù)能夠滿足高適應(yīng)性、高效率和低成本的現(xiàn)代激光焊接發(fā)展要求，已成為國內(nèi)外研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)。光纖激光焊接技術(shù)已經(jīng)在汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用，并隨著研究的深入，高效、優(yōu)質(zhì)、高適應(yīng)性的光纖激光焊接技術(shù)將會(huì)在工業(yè)焊接領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。
參考文獻(xiàn)：凌純，孟威.高功率光纖激光焊接研究現(xiàn)狀及展望［J］.熱加工工藝，2017，46：15-18
封面圖片來源：www.rofin.com
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