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　　. 激光焊接中四种激光器对比分析 浏览： 454 更新： 2013-05-05 01:07 标签： 焊接 在选择激光焊接光源的时候要最大限度地考虑焊接材料、接头几何形状、速度等因素。 随着激光焊接在制造业中的广泛应用， 如何正确选择激光源是制造商需要面 临的一个现实问题。 目前市场上可选择的激光源有光纤、 脉冲 Nd:YAG 、二极管、 碟片还有 CO2 激光源（ CW Nd:YAG 激光源基本上已经被光纤和碟式激光器取 代了，因此本文没有述及）。选择那一种激光源要充分考虑到各种各样的因素，如焊接 的材料、接头几何形状、焊接速度、形位公差、系统集成要求等，当然还应该要考虑 预算。每一种激光源都有其特性， 能够完全满足不同的焊接要求， 当然在某些情况下 也有可替代性。 ◆CO2 激光器 CO2 气体激光器，波长为 10604nm ，功率 1~20 千瓦，是 一种非常成熟的激光器， 而且是自上个世纪八十年以来一直是大功率加工的最主 要激光源。 ◆光纤激光器这种高效的二极管泵浦激光器其实是一种小芯径硅基光纤。激 光源出现在光纤内，因此不用进行校正，而且将小芯径光纤映射到聚焦镜上时， 焦点尺寸最小能够达到 10 微米。这种紧凑型的激光器通常以两种配置出现：低 功率焊接（小于 300W ）的单一模式；以及用于大功率焊接的多模式。 1 / 6 . ◆二极管激光器单发光面器件功率的提高，新冷却通道技术的出现，加上可 以将光束聚焦为直径小于 1000 微米光纤的微光学元件技术的发展， 都推进了二 极管作为焊接激光器的出现。 ◆碟式激光器扁平的 Yd:YAG 晶体薄盘置于 CW 激光器的中心——碟式激光 器这种设计是为了尽最大可能避免出现棒状激光器的固有问题， 而采用了 0.01in 厚的圆盘， 另一面用冷却装置支撑。采用这种设计进行冷却可以使激光器功率达到 10kW ， 同时能保证光束质量。 ◆脉冲Nd:YAG 激光器这种激光器采用单一的 Nd:YAG 激光棒，通过闪光灯 激励产生焊接所使用的高峰值和低平均功率。 比如，一个相对较低的功率， 35W 平均功率可以产生 6kW 的高峰值功率。这种高峰值功率和窄脉宽的结合不仅保 证了材料焊接的质量，还为能量输入提供了有效的控制。 按熔深大小选择激光器 激光器的选择按照熔深大小可分为：小于 0.01in 、0.01~0.03in 和大于 0.03in 。一般来说，可以选择多个激光源来完成焊接，但是出于对性能和预算的 考虑，往往只能选择一到两个光源。 当然，最后的决定可能还会受其他很多因素 影响，比如样品质量、地理因素、售后服务、系统集成商的偏好等，当然可能还 会受人缘关系影响。 ◆小于0.01in 焊缝熔深 2 / 6 . 主要采用脉冲 Nd:YAG 激光器，其次是光纤激光器。在考虑部件装配、接 头形状、材料和镀层等情况下， 需要对整个焊接过程有更好的控制， 脉冲 Nd:YAG 激光器则是最佳的选择。 采用高峰值功率可以产生光点尺寸大于 1000 微米的焊 接光束，在选择焊点尺寸时具有较大的灵活性， 从而使焊接本身的工艺窗口最大 化，同时保证在生产环境中必要的容差。 光纤激光器是该分类中唯一一种连续波激光， 因为光纤激光器可以使光束聚 焦后的光点尺寸小于 25 微米，这样就可以获得焊接所需要的高功率密度。为了 保证在微加工领域的价格竞争力， 光纤激光器功率一般不超过 200W ，这样也就 限制了其最大的光点尺寸，无法提供足够的功率密度，一般焊点尺寸不超过 75 微米。这是光纤激光器一个最大的限制， 这样在实际生产中， 按配合公差和叠加 公差来调节接头 / 部件时，往往无法保证± 15 毫米的误差范围。 光纤激光器主要用于为了保证稳定性对焊点要求很高的厚度较薄材料的搭 焊中。光纤激光器采用焦距为 150mm 的镜头可以产生直径小于 25 微米的光点， 这样给加工带来了足够的操作空间。 光纤激光器采用搭焊焊接可以以较高的速度 获得熔深达到 0.01in 甚至高于 0.01in 的焊缝；200W 单模式光纤激光器在高达 50in/s 速度下可以获得 0.004in 的熔深。 相比较来说，脉冲 Nd:YAG 激光器除了薄箔片焊接外在这个区间可以满足 所有的应用。 该激光器的光点尺寸、 脉冲宽度以及峰值功率范围都较大， 因此在 经过调节和优化后几乎可以满足各种焊接需求。 ◆0.01~0.03in 焊缝熔深 3 / 6 . 上面所说的脉冲 Nd:YAG 激光器和光纤激光器的应用分类在这里依然有效， 但是范围较窄。脉冲 Nd:YAG 激光器用于大多数的点焊加工，而采用约 500W 功率且光点直径为 0.01 微米的光纤激光器可以用于低容差的对接焊和角焊中。 脉冲 Nd:YAG 激光器的性价比相对较高， 500W 和 25W 功率的激光器可以在不 同焊接速度下带来不同的焊缝熔深； 峰值功率能够保证熔深性能而平均功率可以 保证缝焊的焊接速度。 功率在 500~800W 之间的二极管激光器可以焊接容差较大的部件， 速度一 般要比光纤和碟式激光器慢，但是较大的容差可以弥补这一不足。 ◆焊缝熔深大于 0.03in 所有的激光器都适用于此范围。 脉冲 Nd:YAG 激光器可以达到的熔深约为 0.05in ， 而其他类型的激光器可以达到 0.25in ，有些甚至超过 0.5in 。一般来说，该范围 内脉冲 Nd:YAG 激光器所适用的焊接部件都比较小，如采用缝焊的压力传感器 等元件。 除此之外， 在速度和熔深方面， 汽车行业基本涵盖了几乎所有的应用范 围，光纤、 CO2 、碟式和二极管激光器都可以再一次进行选择使用。 寻求平衡 这些激光源最主要的区别是光束质量、 亮度和波长。 光束质量指的是激光的 可聚焦性，亮度指被聚焦光束内的功率密度。举例来说， CO2 激光器和光纤激 光器的光束质量差不多， 这样如果其他参数都一样的话， 它们能聚焦成为直径 相同的光点。光纤激光源的波长是 CO2 光源波长的十分之一，因此光纤激光源 4 / 6 . 可以产生的光点直径就是 CO2 光源的十分之一；而光纤激光源的光束质量和亮 度则更好。 在激光焊接中， 熔深和速度是与光束质量和亮度成正比的， 而焊接稳定性和 容差与光束质量和亮度却没那么直接的关系。 因此，焊接性能和质量以及工艺 窗口的宽度之间必须寻求一种平衡。 必须了解到的是， 为满足实际需求， 可以将 光束的质量调低，但是无法将较差的光束变好。 在 0.25in 熔深时，以上几种激光器的焊接速度很接近；光纤和碟式要比 CO2 速度快，而二极管要慢于 CO2 。采用较高功率激光器进行焊接常常要两 班倒的方式，这在某种程度上预示着选择哪一种激光器还与采购激光器的成本有关。 虽然 CO2 激光器拥有大量的用户， 而且他们对这种技术也很熟悉， 不过与光纤、 碟式和 二极管激光器相比， CO2 激光器单次焊接的成本要高很多。 激光焊接在熔深需求超过 0.25in 的焊接应用中与等离子和弧焊相比要更有 优势，可以大幅度减少热变形。 热变形的减少可以维持部件的几何形状， 这样就不 必再对部件几何外形进行重新处理。 部件配合在这种厚度下可能会带来问题， 可 以采用填丝或将激光焊与等离子焊及弧焊相结合的工艺流程。 结论 激光焊接的激光源有很多种， 每一种都有其特性， 适用于不同的需求。 用户 要充分了解哪一种激光源最能满足他们的焊接需求， 这点很重要。 若需要焊 接系统的话，最好的办法是与系统供应商合作，他们能够决定最佳的激光器。 5 / 6 . 此外，还可以与不同的激光器制造商接触， 将焊接样品寄给他们， 通过这一种 途径来决定最佳的解决方案。 在选择激光器的时候， 记住焊接需要在熔深、 速度、 稳定性、生产部件容纳性以及容差方面做到均衡。 6 / 6

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