1 前言

    雖然激光加工具有種種優(yōu)點(diǎn)，但在重工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用卻受到限制，主要原因是：1）制品板材比較厚；2）制品形狀大，而且復(fù)雜，同類制品量少等。從工序方面來看，焊接時(shí)要求焊接坡口對合高、在焊接質(zhì)量方面容易產(chǎn)生氣孔，切割時(shí)不可避免地會(huì)增大厚板切口的寬度等。

    對這類厚板材進(jìn)行加工時(shí)，要求激光器具有焊接、切割所需的足夠的激光功率，光束傳輸容易，可以用于大型構(gòu)件和復(fù)雜構(gòu)件加工，也可在室外使用等。加工質(zhì)量要求做到與以往的電弧焊接和等離子切割等同。

    為了滿足這些要求，正在開發(fā)高輸出功率YAG激光器，加工中的加工狀況監(jiān)視，以及與電弧工序混合的工序。下面介紹其中的一部分。

    2 試驗(yàn)方法

    采用峰值輸出25kW的YAG激光器，可調(diào)制振蕩的l0kW級YAG激光器和峰值輸出18kW、可調(diào)制振蕩的7kW級YAG激光器。采用芯徑0.8mm和0.6mm的SI型光纖傳輸光束。

    圖1示出采用30m光纖傳送l0kWYAG激光時(shí)的光束傳送特性。從圖中可以看出，入射功率10kW時(shí)傳送損失約800，大部分傳送損失都是由光纖端面的反射引起的。采用YAG激光器時(shí)，反射光近800W，這種處理很重要。采用該系統(tǒng)時(shí)，處處都要注意不要因反射光而使系統(tǒng)本身受到損傷。

圖1 用30m光纖傳送時(shí)的傳輸損耗

    3 厚板焊接

    3.1 10kW級YAG激光器的熔深特性

    因?yàn)橐郧皼]有研究過5kW以上輸出調(diào)制對熔深的作用，所以調(diào)查了調(diào)制波振蕩（以下稱P.W.振蕩）和連續(xù)波振蕩（以下稱C.W.振蕩）對熔深的影響。調(diào)查結(jié)果示于圖2.從圖中可以看出，采用C.W.振蕩時(shí)，激光器輸出7.6kW,焊接速度0.2m/min時(shí)熔深大約為15mm。采用P.W.振蕩時(shí)，激光器輸出6.6kW，熔深大約為20mm，以厚板為對象的低焊接速度時(shí)，采用P.W.振蕩效果好。從圖中還可看出，隨著焊接速度加快，P.W.振蕩的熔深變淺。筆者認(rèn)為這是由于Keyhole形成有無連續(xù)性引起的。圖3示出采用P.W.振蕩在低速焊接時(shí)峰值輸出對熔深的影響，可以看出，隨著峰值輸出的升高，熔深加深。

    圖4示出利用P.W.振蕩的20mm厚板的穿透焊接結(jié)果。即使激光器輸出板6kW，也能得到將近15mm的熔深。

圖4 利用高功率YAG激光器(7.6kw,,0.2m/min)的穿透焊接

    3.2在配管、容器方面的應(yīng)用

    以上述焊接特性為基礎(chǔ)，研究了用光纖傳送的容器縱向或環(huán)形接合方面的應(yīng)用。焊接時(shí)，采用7kW級YAG激光振蕩器、可與大型構(gòu)件對應(yīng)的x軸5m、寬2.5m,z軸4m的大型CNC裝置。

　　圖6示出板厚20mm配管的YAG激光焊接結(jié)果。任何場合都能得到良好焊接結(jié)果。

圖6 板厚20mm配管的YAG激光焊接結(jié)果

    4 在厚板切割方面的應(yīng)用

    利用YAG激光拆除廢爐的切割技術(shù)，要求把由切割所引起的二次生成物控制在限度，要求切割速度比以往的等離子切割高，切割厚度視切割材料和切割爐體的不同而有所不同，這里研究了板厚100mm以內(nèi)碳鋼的切割。

    圖7示出切割板厚極限和激光輸出的關(guān)系。

    5 加工質(zhì)量管理

    原子能領(lǐng)域的焊接其質(zhì)量管理比較嚴(yán)格，要求能長時(shí)間穩(wěn)定地焊接。下面介紹焊接加工中的監(jiān)視方法。

    5.1 加工中焊接狀況的監(jiān)視

    圖10示出監(jiān)視頭的構(gòu)成。下表中示出焊接部發(fā)光的抽出方法。這里采用的是在抽出焊接參數(shù)、激光器輸出、焦點(diǎn)位置變化的同時(shí)，探測穿透焊接時(shí)內(nèi)部波穩(wěn)定性和焊接保護(hù)狀況。

    5.2監(jiān)視結(jié)果

    圖11示出焊接輸出的監(jiān)視結(jié)果與熔深深度的比較。從此結(jié)果中可以看出，熔深深度變化0.4mm時(shí)，就可探測到輸出功率100W左右的焊接變化。圖12示出焦點(diǎn)位置和YAG激光器反射光及熔深深度的關(guān)系。這里雖然采用焦點(diǎn)深度Bf=200mm的大透鏡，但是可以探測士4mm的熔深變化。圖13示出穿透和未穿透時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度變化。穿透焊接時(shí)，因?yàn)槿廴诮饘僭诎鍍?nèi)穿過，所以發(fā)光強(qiáng)度下降，于是就能探測到可以獲得穩(wěn)定的內(nèi)部波焊道的狀態(tài)。

　　圖14示出由于保護(hù)氣體狀態(tài)變化，焊道發(fā)生氧化時(shí)每個(gè)脈沖的發(fā)光波形與保護(hù)氣體狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的比較。從圖中可以看出，由于焊道發(fā)生氧化，光圈的發(fā)光強(qiáng)度增大。關(guān)于以上加工中的監(jiān)視信息，將根據(jù)加工對象的不同靈活使用。

圖14 保護(hù)氣體狀態(tài)的監(jiān)視結(jié)果

    6混合激光焊接

    為了進(jìn)一步擴(kuò)大激光焊接的用途，現(xiàn)開發(fā)了一種利用激光焊接和電弧焊接優(yōu)點(diǎn)的同軸TIG-YAG激光焊接方法。

    6.1同軸TIG-YAG激光焊接

    圖15示出同軸TIG-YAG激光焊接頭的外貌。這種焊接方法，是把從光纖射出的光束分開，將TIG焊極設(shè)置在其中央，使光束在TIG焊極頂端下方再次聚光，同軸向同一地方照射聚光光束和TIG弧光，進(jìn)行焊接。

　　對這一過程中的TIG弧光和YAG激光光束的相互作用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果認(rèn)為弧光及光圈光束吸收可以忽略。圖16示出高速混合焊接時(shí)的弧光穩(wěn)定性與僅用TIG焊接的比較結(jié)果。

    6.2同軸TIG-YAG激光焊接的效果

    圖17示出相對焊接坡口縫隙余量的同軸TIG-YAG激光焊接的結(jié)果。僅用YAG時(shí)焊接坡口縫隙為0.4mm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生咬邊。而同軸TIG-YAG激光焊接時(shí)焊接坡口縫隙可達(dá)0.8mm。圖18示出根據(jù)焊接焊道的斷面研究氣孔發(fā)生狀況的結(jié)果。因?yàn)楸Ｗo(hù)氣體中使用了Ar，所以僅采用YAG時(shí)不可避免在部分焊道中產(chǎn)生氣孔。而同軸TIG-YAG激光焊接可以控制氣孔的發(fā)生，如圖19所示，這是因?yàn)橥STIG-YAG激光焊接比單用YAG時(shí)栓孔上部的孔徑大，金屬蒸汽容易排出。

圖19 栓孔孔徑大小的比較

    7 今后的發(fā)展

    要想擴(kuò)大激光加工在厚板領(lǐng)域的應(yīng)用，必須使振蕩器實(shí)現(xiàn)高功率輸出，提高光束傳輸性能。高功率YAG激光器的應(yīng)用越來越廣，今后，應(yīng)加強(qiáng)加工質(zhì)量管理，重點(diǎn)開發(fā)加工過程中的監(jiān)視和相應(yīng)控制技術(shù)。但是，擴(kuò)大應(yīng)用也與激光器自身的初成本有很大關(guān)系。今后，應(yīng)開發(fā)價(jià)廉的高輸出二極管抽運(yùn)YAG激光器或直接加工用的半導(dǎo)體激光器（LD），以擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。