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如何解决高功率激光焊接离焦量问题
来源:优程工贸    发布于:2016-04-07

多年来,“bazooka(火箭筒)”在EWI的许多激光焊接项目中提供了稳定的焊接性能,甚至包括那些需要15kW功率的应用。其完成的16mm的激光深熔焊接具有良好的焊缝剖面。但是当EWI被要求在10mm厚的航天合金上,进行11道零缺陷的3.6m长焊缝的焊接时,这种聚焦光学组件终于遇到了难题。在解决这一问题的研究过程中,我们进行了一些较短的0.6m长焊缝的焊接,并且观察到了离焦的发生。尽管清洗“bazooka火箭筒”光学组件能够解决这一问题,但是在全长(3.6m)面板上制作出不良焊缝的风险仍然太高。因此该项目需要一个新的聚焦光学解决方案才能继续进行。这种解决方案的目标很简单——消除所有传输聚焦光学组件。但有一个很明显的问题是,这样不保护精细的激光光纤端。最终采用了现在这种具有专利的解决方案,即用两个聚焦反射镜与气动窗口连接在一起来保护光纤端(图3)。该结构中的每个反射镜都是金刚石切削的不对称非球面形状,由II-VI公司专门针对EWI的要求而生产。接收较高激光功率密度的第一面反射镜具有高反射率镀膜,并产生光纤端面的1:1成像。气动窗口的中间对准了这个第一幅图像。在气动窗口靠近光纤这面的腔内引入洁净的气体,从而产生高速、共线的气流来防止任何污染物进入这一区域。

图3:气动窗口聚焦光学组件。

在经过气动窗口后,成都激光焊接 光束向第二面不对称聚焦镜扩展,在工作面上产生了第二幅光纤端的放大图像。第二面反射镜和工作面之间的长距离(350-500mm)使得有充足的机会来借助气刀排除污染物,并且在这个未镀膜的铜反射镜上的大尺寸光斑对其吸收或表面图像几乎不构成威胁。该反射聚焦光学组件的光束参数乘积小于7 mm-mrad(200μm的光纤),热移位大约为0.1 mm/kW。

图4:第二代气动窗口反射聚焦光学组件。

这个反射聚焦光学组件( 名为“beast野兽”)能成功满足客户的需求,在10mm厚的对接焊板上完成11道3.6m长的焊缝,并且所有焊缝的质量规格都符合要求。从开始的第一个面板到末尾的最后一个面板,焊缝的形状没有变化。并且,在这些13 kW、将近2分钟时长的焊接过程中不需要进行任何反射镜清洗。第二面反射镜会受到一些飞溅(在所有焊接开始时),但这些并不会影响焊接性能。换句话说,这个聚焦光学组件能满足其所有设计和性能目标,客户也能得到所要求的面板。

不过, 尽管获得了成功, 但是“beast野兽”仍有一些挥之不去的问题。首先是其外形和聚焦方向不太合适。其次,安装第二面反射镜所需的对准精度在工业上还不能接受。最后,对于预期中会进一步升高的激光功率水平来说,水冷反射镜安装方案还不能满足未来的需求。因此,我们就这个拥有专利的解决方案推出了改进的版本。(很明显,改进的版本不会被称为“son-of-beast”。)

图5:分别以1、2、3、4和5m/min的速度在2205双相不锈 钢上进行20 kW的深熔焊接。

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