圆盘和光纤激光器的优势 - 文章

圆盘和光纤激光器的优势

作者：Stanley L. Ream

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现在，对许多制造业中的难题来说，激光已经是一个不可缺少的、廉价的解决方案了。激光器的功率成本在持续下降（以美元计），工业激光器的光束质量在不断改善。现在，又出现了高功率圆盘激光器和光纤激光器，竞争的范围在不断扩大，潜在的用户正面临着许多新问题。

焊接效率

从字面上看,“效率”通常是一个无量纲的数字、分数或百分比,它把实际得到的值与理论值或最佳值联系在一起。根据这种方法，术语“激光焊接效率”就是一个比率，是熔化一定数量的金属所需要的能量（理论值）与被传送的实际激光能量之比。为了获得这个比值，必须首先建立理论能量值。在本研究中，所用的材料是低碳钢，明确地说，是AISI-SAE Grade 1008。

把一定量的金属从室温加热到熔点温度所需的能量，包含“真正的热”、转化热和熔化热三部份。真正的热是温度和热容量(比热,Cp)的函数,从室温到熔化温度之间，这个热变化很大。当Cp变化时，便可获得转化热。这些数据不少可从材料手册中得到，但不是所有信息都可以从这样的手册中得到的。收集到的1008号钢的Cp值示于图1中。根据这些Cp值计算，将1克1008号钢从室温加热到熔点温度所需的能量为1131J/gm。低碳钢的熔化约为272J/gm，很容易在书中找到，它是个常数。总之，计算表明：熔化1008号钢所要求的“绝对”能量大约是1403J/gm或11J/mm3。

图1：1008号钢的比热随温度的变化

然而, 如此详细的信息对许多工程材料来说，都是很难得到的。因此，在我们的分析中，将不再强调所谓绝对效率。而术语“激光焊接效率”将被用来描述单位激光能量的熔化量，或mm3/kJ，这个术语不依赖于绝对值。

效率数据的产生和分析

为了决定激光焊接效率(如上面所定义的那样)，必须获得三个值：

◆工作点的激光功率(千瓦)
◆焊接速度(毫米/秒)
◆焊点熔化面积(毫米2)

在以前的工作4(1995)中，曾经收集和分析了100多套这样的数据，试图找出效率和功率、焊接速度、纵横比等因素之间的关系。但是，由图2可见，这些数据是非常分散的。然而，由这个图可以断定：最大可测得的激光焊接效率约在50-60mm3/kJ之间，与到达工作点的功率和焊接速度关系不大。

图2：激光焊接效率与功率之间的关系
（Laser’95,慕尼黑）

在EWI进行的工作中，有可能对焊接和数据分析进行严密得多的控制。在所探讨的4种激光器中，EWI就有3种：

◆PRC，6kw CO2激光器
◆IPG,4千瓦光纤激光器(在3.8千瓦下试验)
◆TRUMPF，4千瓦,灯泵Nd:YAG激光器。

来自第4个激光器，4千瓦圆盘激光器的数据,是由德国TRUMPF提供的。第4个激光器的基本数据也示于表1中。在EWI使用的离轴防护气体(对CO2用氦，对其它的用氩)以24升/分钟(50cfh)的流量流动。

为了分析焊点熔化面积，我们制备了金相学上的焊缝横截面，并使之成像。焊点熔化面积用AutoCAD分析(见图3)。几种激光器的焊接速度/渗透曲线示于图4中。

图3：焊点熔化面积分析方法

图4：在低碳钢中，激光焊接深度随焊接速度的变化。

激光焊接效率在焊点实际测得的激光功率基础上进行计算：

效率=焊点熔化面积 × 焊接速度/焊接点的激光功率=(mm3/kJ)

激光焊接效率概况如图5中。注意只有二个数据点是从TRUMPF圆盘激光器得到的。

图5：在低碳钢中，激光焊接效率随焊接速度的变化。

关于效率的讨论

与1995年的研究相比，本工作产生的数据要一致得多。在中等焊接速度范围内，所有四种激光器的焊接效率都很高,约为60mm3/kJ。这相当于66%的绝对效率,这个绝对效率以早期的Cp和熔化能讨论为基础。比Swift-Hook和Gick预言的最大效率48%要高很多。但是，两者之差虽然很大，但其中的一半是由于采用的Cp不同和在分析中不考虑溶解热所产生的。很清楚的是这4种激光器都能产生几乎是最佳的熔化效率。

运转成本一览

运转成本一览表如图6所示。可以用许多方法来审查这些结果，图中圆柱的相对高度可以因电费、主要的更换项目费用和维修间隔的变化而大大改变。最棘手的问题与圆盘激光器和光纤激光器中的二极管激光器预期寿命有关。现在，只有一些简单的、不充分的数据来估算最终的二极管成本和寿命，但是，这里进行的评估是在现有经验和担保的基础上进行的。

图6：激光运转成本一览表

焊接成本一览

作为焊接效率计算的一部份，估计了每种堆焊情况的熔化率(mm3/s)。采用中速焊接的典型值和由图6得到的成本值，有可能表示焊接的平均成本，如表2所示。

必须再次强调，这些是建立在一套假设基础之上的相对数字，它们不包括任何激光系统组件或劳动成本在内。重要的是，它们可以代表激光堆焊。这相当于对紧密拼接的零件进行对焊或搭头时，只有部分渗透的情形。尽管如此，这些数字可用来说明如何才能使激光焊接过程变得相对便宜。

结束语

特定成本/厘米3值只是用来度量不同激光器在给定焊接条件时的价值, 此外，还有许多其它的价值因素必须考虑。如上所述，在这个成本检查中，有一些因素是估计出来的。这些因素还会发展，会随时间而变，就像在表中所显示的绝对值会发生变化一样。尽管如此，仍可得出如下的一些重要结论：

◆现代工业激光器的焊接效率超过了以前所相信的最大理论极限；
◆最初投入的激光器成本在整个成本分析中不占主要地位；
◆近红外激光器提供的焊接效率似乎比CO2激光器略微高些；
◆焊接效率值可用来帮助分析激光焊接过程；
◆对只要求简单零件运动的焊接,CO2激光器是最经济的解决方案；
◆在不远的将来，Nd:YAG激光器似乎有可能让位给光纤激光器和圆盘激光器。

Stanley L. Ream是位于俄亥俄州Columbus的Edison 焊接研究所（EWI）激光技术主管。
联系方式：stan_ream@ewi.org或访问www.ewi.org. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/15/2005)


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