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往期回顧：焊接氣孔的產(chǎn)生原因和防止措施(激光焊接參考)
選擇激光焊接光源的時(shí)候要充分考慮焊接材料、接頭幾何形狀、速度等因素。
隨著激光焊接在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，如何正確選擇激光源是制造商需要面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。目前市場(chǎng)上可選擇的激光源有光纖、脈沖Nd:YAG、二極管、碟片還有CO2激光源(CWNd:YAG激光源基本上已經(jīng)被光纖和碟式激光器取代了，因此本文沒有述及)。選擇那一種激光源要充分考慮到各種因素，如焊接的材料、接頭幾何形狀、焊接速度、形位公差、系統(tǒng)集成要求等，當(dāng)然還要考慮預(yù)算。每一種激光源都有其特性，可以滿足不同的焊接要求，當(dāng)然在某些情況下也有可替代性。
◆CO2激光器CO2氣體激光器，波長(zhǎng)為10604nm，功率1~20千瓦，是一種非常成熟的激光器，而且是自上個(gè)世紀(jì)八十年以來一直是大功率加工的主要激光源。
◆光纖激光器這種高效的二極管泵浦激光器其實(shí)是一種小芯徑硅基光纖。激光源出現(xiàn)在光纖內(nèi)，因此不用進(jìn)行校正，而且將小芯徑光纖映射到聚焦鏡上時(shí)，焦點(diǎn)尺寸小可以達(dá)到10微米。這種緊湊型的激光器通常以兩種配置出現(xiàn)：低功率焊接(小于300W)的單一模式；以及用于大功率焊接的多模式。
◆二極管激光器單發(fā)光面器件功率的提高，新冷卻通道技術(shù)的出現(xiàn)，加上可以將光束聚焦為直徑小于1000微米光纖的微光學(xué)元件技術(shù)的發(fā)展，都推進(jìn)了二極管作為焊接激光器的出現(xiàn)。
圖片
◆碟式激光器扁平的Yd:YAG晶體薄盤置于CW激光器的中心——碟式激光器這種設(shè)計(jì)是為了避免出現(xiàn)棒狀激光器的固有問題，而采用了0.01in厚的圓盤，另一面用冷卻裝置支撐。采用這種設(shè)計(jì)進(jìn)行冷卻可以使激光器功率達(dá)到10kW，同時(shí)可以保證光束質(zhì)量。
◆脈沖Nd:YAG激光器這種激光器采用單一的Nd:YAG激光棒，通過閃光燈激勵(lì)產(chǎn)生焊接所使用的高峰值和低平均功率。比如，一個(gè)相對(duì)較低的功率，35W平均功率可以產(chǎn)生6kW的高峰值功率。這種高峰值功率和窄脈寬的結(jié)合不僅保證了材料焊接的質(zhì)量，還為能量輸入提供了有效的控制。
按熔深大小選擇激光器
激光器的選擇按照熔深大小可分為：小于0.01in、0.01~0.03in和大于0.03in。一般來說，可以選擇多個(gè)激光源來完成焊接，但是出于對(duì)性能和預(yù)算的考慮，往往只能選擇一到兩個(gè)光源。當(dāng)然，后的決定可能還會(huì)受其他很多因素影響，比如樣品質(zhì)量、地理因素、售后服務(wù)、系統(tǒng)集成商的偏好等，當(dāng)然可能還會(huì)受人緣關(guān)系影響。
◆小于0.01in焊縫熔深
主要采用脈沖Nd:YAG激光器，其次是光纖激光器。在考慮部件裝配、接頭形狀、材料和鍍層等情況下，需要對(duì)整個(gè)焊接過程有更好的控制，脈沖Nd:YAG激光器則是的選擇。采用高峰值功率可以產(chǎn)生光點(diǎn)尺寸大于1000微米的焊接光束，在選擇焊點(diǎn)尺寸時(shí)具有較大的靈活性，從而使焊接本身的工藝窗口化，同時(shí)保證在生產(chǎn)環(huán)境中必要的容差。
光纖激光器是該分類中一種連續(xù)波激光，因?yàn)楣饫w激光器可以使光束聚焦后的光點(diǎn)尺寸小于25微米，這樣就可以獲得焊接所需要的高功率密度。為了保證在微加工領(lǐng)域的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，光纖激光器功率一般不超過200W，這樣也就限制了其大的光點(diǎn)尺寸，無法提供足夠的功率密度，一般焊點(diǎn)尺寸不超過75微米。這是光纖激光器一個(gè)大的限制，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，按配合公差和疊加公差來調(diào)節(jié)接頭/部件時(shí)，往往無法保證±15毫米的誤差范圍。
光纖激光器主要用于為了保證穩(wěn)定性對(duì)焊點(diǎn)要求很高的厚度較薄材料的搭焊中。光纖激光器采用焦距為150mm的鏡頭可以產(chǎn)生直徑小于25微米的光點(diǎn)，這樣給加工帶來了足夠的操作空間。光纖激光器采用搭焊焊接可以以較高的速度獲得熔深達(dá)到0.01in甚至高于0.01in的焊縫；200W單模式光纖激光器在高達(dá)50in/s速度下可以獲得0.004in的熔深。
相比較來說，脈沖Nd:YAG激光器除了薄箔片焊接外在這個(gè)區(qū)間可以滿足所有的應(yīng)用。該激光器的光點(diǎn)尺寸、脈沖寬度以及峰值功率范圍都較大，因此在經(jīng)過調(diào)節(jié)和優(yōu)化后幾乎可以滿足各種焊接需求。
◆0.01~0.03in(0.254-0.762mm)焊縫熔深
上面所說的脈沖Nd:YAG激光器和光纖激光器的應(yīng)用分類在這里依然有效，但是范圍較窄。脈沖Nd:YAG激光器用于大多數(shù)的點(diǎn)焊加工，而采用約500W功率且光點(diǎn)直徑為0.01微米的光纖激光器可以用于低容差的對(duì)接焊和角焊中。脈沖Nd:YAG激光器的性價(jià)比相對(duì)較高，500W和25W功率的激光器可以在不同焊接速度下帶來不同的焊縫熔深；峰值功率可以保證熔深性能而平均功率可以保證縫焊的焊接速度。
功率在500~800W之間的二極管激光器可以焊接容差較大的部件，速度一般要比光纖和碟式激光器慢，但是較大的容差可以彌補(bǔ)這一不足。
◆焊縫熔深大于0.03in(0.762mm)
所有的激光器都適用于此范圍。脈沖Nd:YAG激光器可以達(dá)到的熔深約為0.05in(1.27mm)，而其他類型的激光器可以達(dá)到0.25in(6.35mm)，有些甚至超過0.5in(12.5mm)。一般來說，該范圍內(nèi)脈沖Nd:YAG激光器所適用的焊接部件都比較小，如采用縫焊的壓力傳感器等元件。除此之外，在速度和熔深方面，汽車行業(yè)基本涵蓋了幾乎所有的應(yīng)用范圍，光纖、CO2、碟式和二極管激光器都可以選擇使用。
尋求平衡
這些激光源主要的區(qū)別是光束質(zhì)量、亮度和波長(zhǎng)。光束質(zhì)量指的是激光的可聚焦性，亮度指被聚焦光束內(nèi)的功率密度。舉例來說，CO2激光器和光纖激光器的光束質(zhì)量差不多，這樣如果其他參數(shù)都一樣的話，它們可以聚焦成為直徑相同的光點(diǎn)。光纖激光源的波長(zhǎng)是CO2光源波長(zhǎng)的十分之一，因此光纖激光源可以產(chǎn)生的光點(diǎn)直徑就是CO2光源的十分之一；而光纖激光源的光束質(zhì)量和亮度則更好。
在激光焊接中，熔深和速度是與光束質(zhì)量和亮度成正比的，而焊接穩(wěn)定性和容差與光束質(zhì)量和亮度卻沒有那么直接的關(guān)系。因此，焊接性能和質(zhì)量以及工藝窗口的寬度之間必須尋求一種平衡。需要知道的是，為了滿足實(shí)際需求，可以將光束的質(zhì)量調(diào)低，但是無法將較差的光束變好。
在0.25in熔深時(shí)，以上幾種激光器的焊接速度非常接近；光纖和碟式要比CO2速度快，而二極管要慢于CO2。采用較高功率激光器進(jìn)行焊接通常需要兩班倒的方式，這意味著選擇哪一種激光器還與采購(gòu)激光器的成本有關(guān)。雖然CO2激光器擁有大量的用戶，而且他們對(duì)這種技術(shù)也非常熟悉，不過與光纖、碟式和二極管激光器相比，CO2激光器單次焊接的成本要高很多。
激光焊接在熔深需求超過0.25in的焊接應(yīng)用中與等離子和弧焊相比要更有優(yōu)勢(shì)，可以大大減少熱變形。熱變形的減少可以維持部件的幾何形狀，這樣就不必再對(duì)部件幾何外形進(jìn)行重新處理。部件配合在這種厚度下可能會(huì)帶來問題，可以采用填絲或?qū)⒓す夂概c等離子焊及弧焊相結(jié)合的工藝流程。
結(jié)論
激光焊接的激光源有很多種，每一種都有其特性，適用于不同的需求。用戶要充分了解哪一種激光源能滿足他們的焊接需求，這點(diǎn)非常重要。如果需要焊接系統(tǒng)的話，的辦法就是與系統(tǒng)供應(yīng)商合作，他們可以決定的激光器。
此外，還可以與不同的激光器制造商接觸，將焊接樣品寄給他們，通過這種途徑來決定的解決方案。在選擇激光器的時(shí)候，記住焊接需要在熔深、速度、穩(wěn)定性、生產(chǎn)部件容納性以及容差方面做到均衡。
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