1 前言
雖然激光加工具有種種優(yōu)點，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，焊接時要求焊接坡口對合精度高、在焊接質(zhì)量方面容易產(chǎn)生氣孔，切割時不可避免地會增大厚板切口的寬度等。
對這類厚板材進(jìn)行加工時，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激光時的光束傳送特性。從圖中可以看出，入射功率10kW時傳送損失約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，反射光近800W，這種處理很重要。采用該系統(tǒng)時，處處都要注意不要因反射光而使系統(tǒng)本身受到損傷。
加工時所使用的光學(xué)系統(tǒng)是Bf(后焦距)等于200mm，成像倍率為1.69的聚光光學(xué)系統(tǒng)。試料，焊接時采用SUS304，切割時采用碳鋼。
圖1 用30m光纖傳送時的傳輸損耗
3 厚板焊接
以前，當(dāng)板材厚度超過10mm以上時只能采用CO2激光器焊接。CO2激光焊接厚板材有以下缺點:因為是利用反射鏡傳送光束，所以焊接對象受到限制;在加工質(zhì)量上容易受振蕩光束強(qiáng)度分布變化和激光感應(yīng)等離子體的影響。
3.1 10kW級YAG激光器的熔深特性
因為以前沒有研究過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，激光器輸出7.6kW,焊接速度0.2m/min時熔深大約為15mm。采用P.W.振蕩時，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，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。圖5示出其應(yīng)用例子。焊接時，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最小限度，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。對0.05m/min及0.2m/min的切割速度進(jìn)行了研究。從研究結(jié)果中可以看出，切割100mm的厚板時目前需要7~8kW的激光輸出。圖8示出用3.8kW切割厚45mm的碳鋼和SUS304所得到的切割剖面。從圖中可以看出，可進(jìn)行彎曲幅度在2mm以下的高質(zhì)量分離切割。圖9示出板厚100mm時的圓錐狀樣品的切割結(jié)果。因此，如果板增厚，不可避免地會增大切割彎曲幅度。今后，應(yīng)該研究通過改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)及切割氣體的流向來提高切割質(zhì)量。
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，要求能長時間穩(wěn)定地焊接。在廢爐拆除切割方面，從其遠(yuǎn)距離操作性來看，加工過程中加工狀況的監(jiān)視技術(shù)是重要的開發(fā)項目之一。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。監(jiān)視時，以光軸和同軸抽出焊接狀況的圖像，同時分光、探測焊接部的發(fā)光。為了使熔深加深，采用脈沖振蕩。根據(jù)焊接狀況圖像，對熔池形狀和焊接坡口線位置進(jìn)行圖像處理，并向操作人員提供視覺信息。焊接部的發(fā)光抽出，與以前所實施的采用多條監(jiān)視光纖的方法對應(yīng)，因為焊接頭所要求的空間制約條件并不嚴(yán)格，用一根監(jiān)視光纖把用半反射鏡分出的光抽出。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、焦點位置變化的同時，探測穿透焊接時內(nèi)部波穩(wěn)定性和焊接保護(hù)狀況。
相對于各種監(jiān)視對象，激光器輸出和內(nèi)部波狀態(tài)，監(jiān)視波長取940nm,探測了脈沖斷開時熔化池的發(fā)光。從這個波長所使用的傳感器(硅光二極管)的光譜響應(yīng)特性和監(jiān)視對象的溫度變化范圍，根據(jù)普朗克輻射定律進(jìn)行波長選定解析，實際上又對各種波長進(jìn)行了監(jiān)視，最后選出靈敏度最好的監(jiān)視波長。關(guān)于焦點位置變化，抽出脈沖接通時YAG激光器的反射光，關(guān)于保護(hù)狀況的穩(wěn)定性，為了探測更高溫度時激光光圈的發(fā)光，把脈沖接通時400nrn的短波長光抽出。
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，就可探測到輸出功率100W左右的焊接變化。圖12示出焦點位置和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的發(fā)光強(qiáng)度變化。穿透焊接時，因為熔融金屬在板內(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)生氧化時每個脈沖的發(fā)光波形與保護(hù)氣體狀態(tài)穩(wěn)定時的比較。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時焊接坡口縫隙為0.4mm時，會產(chǎn)生咬邊。而同軸TIG-YAG激光焊接時焊接坡口縫隙可達(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。因為保護(hù)氣體中使用了Ar，所以僅采用YAG時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，這是因為同軸TIG-YAG激光焊接比單用YAG時栓孔上部的孔徑大，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最初成本有很大關(guān)系。今后，應(yīng)開發(fā)價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。