激光連續焊與脈衝焊，該如何選？

在激光焊接領域，無論是作為客戶的使用方還是作為供應商的設備方，一旦一個激光焊接項目擺在麵前，幾乎首要考慮的就是采用脈衝焊還是連續焊。因為這個問題涉及到成本、工藝、加工效率、光源以及後期設備改造升級等諸多因素，所以不得不謹慎對待。本文從原理、光源、光束特點、各自焊接工藝的特點及應用範圍等幾個方麵做一些簡單的闡述，以供參考。

圖1 半導體激光器連續焊鍍鋅板

圖2 Nd3+:YAG激光器脈衝(chong) 焊不鏽鋼板

一、相關原理

激光器的分類有很多種方法，比如按照波長分類可以分為(wei) 紅外、可見、紫外；按激光工作物質劃分有CO2激光器、光纖激光器、Nd3+:YAG固體(ti) 激光器、Nd3+:YAG碟片激光器（通快獨有）、直接半導體(ti) 激光器、染料激光器等，而連續與(yu) 脈衝(chong) 的則是根據激光器的工作方式來判定。一般而言，激光光束在諧振腔內(nei) 往返一次就會(hui) 輸出一次，不斷往返（也叫高頻振蕩）也就形成了多次輸出，當輸出頻次高到某一個(ge) 臨(lin) 界值時，我們(men) 就稱之為(wei) 連續出光，否則稱之為(wei) 脈衝(chong) 出光，相對應的激光器也就是連續激光器和脈衝(chong) 激光器。不過，學界和業(ye) 內(nei) 對於(yu) 二者的劃分並無一個(ge) 統一明確的標準，比較通行的說法是當重複出光頻率在102Hz及以下時，是為(wei) 脈衝(chong) （簡稱Pulsed），102~103Hz時為(wei) 準連續（簡稱QCW）, 103~106Hz時為(wei) 連續（簡稱CW），106~109Hz甚至更高時為(wei) 超連續。比如大家很熟悉的金屬切割領域，IPG、銳科等的光纖激光器典型頻率參數是5000Hz，而早期的Nd3+:YAG固體(ti) 激光切割機典型頻率300Hz。在各自功率參數方麵，連續激光器一般隻給出功率，脈衝(chong) 激光器會(hui) 給出單脈衝(chong) 功率，平均功率和脈寬及頻率等，具體(ti) 劃算方法是：平均功率=單脈衝(chong) 功率×脈寬×頻率。

二、激光光源

在金屬的激光焊接領域，一般來說脈衝(chong) 焊接使用的激光器基本都是Nd3+:YAG固體(ti) 激光器，而連續焊接大部分情況下使用的是光纖激光器，近年來隨著工業(ye) 級直接半導體(ti) 激光器的不斷成熟與(yu) 穩定，其在連續焊裏的應用也開始慢慢多了起來。不過隨著激光器技術的慢慢發展，兩(liang) 者的界限開始變得不那麽(me) 清晰，比如通快公司的碟片激光器（連續出光）嚴(yan) 格來說也是一種Nd3+:YAG固體(ti) 激光器，且光纖脈衝(chong) 激光器也開始應用於(yu) 金屬焊接。當然，本文中還是討論較普遍的情況。

Nd3+:YAG脈衝激光器的特點是脈衝出光，出光頻率較低，較小功率的激光器可以發出超高的脈衝能量，比如，一台500W的脈衝激光器，單脈衝功率可以達到12KW甚至更高，如此一來，同等功率的脈衝激光器的焊接穿透力就大於光纖（連續）激光器。連續激光器的特點是超高出光頻率和相對穩定且較低的單脈衝能量。有個簡單的比喻可以說明他們間的區別，這兩種工作方式，脈衝焊類似於打樁機打樁，雖然速度慢，但是每一次撞擊都極有分量，而連續焊更像是電錘敲釘子，每次用力很小，但是錘擊速度很快。

圖3 Nd3+:YAG激光器

圖4 連續光纖激光器

三、光束特點

眾所周知，連續（光纖）激光器所發出光束是較典型的高斯光束，也就是在光心處功率密度非常高，功率密度沿光心向外而快速變小。而脈衝激光器光強則是平頂型分布，即在垂直於光束的表麵，能量近似均勻分布。當然，直接半導體激光器光束分布也近似平頂分布，在此不作詳述。

圖5 高斯光束的能量能量分布

圖6 平頂光束的能量分布

四、焊接工藝

連續焊接出光頻率非常高，如果在采取了很好的焊接保護及合適的焊接參數的情況下，可以得到一條均勻而光滑的焊縫，這種焊縫基本不需要打磨或者拋光處理。而脈衝焊接由於出光頻率較低，在工作中就可以聽出清晰而間斷的敲擊聲，得到的也是一條平整的魚鱗狀焊縫，有些類似於氬弧焊焊縫，或者根據需要，也會形成飽滿的單點焊斑。在工藝加工過程中，連續焊接隻需要選定合適的焊接軌跡、運行速度、功率大小等幾個參數，相對簡單，而脈衝焊接就需要對脈寬、出光頻率，單脈衝功率、運行速度及脈衝波形等較多參數行進綜合考慮，相對複雜。

圖6 脈衝焊焊斑（焊點）

圖6 連續焊焊縫

另外，光纖激光光束在光心處能量密度密度非常高，且在現在的技術手段下，可以將激光光束耦合到芯徑極細的能量傳(chuan) 輸光纖中，所以中高功率的光線激光器極適合做深熔焊，得到深寬比極大的焊縫。而脈衝(chong) 激光光束平頂分布的特性，對於(yu) 以薄板拚接焊為(wei) 代表的熱傳(chuan) 導焊，有著較大的優(you) 勢。

五、應用情況

連續（光纖）激光器因為(wei) 其高穩定性、低功耗、高效率、極高的光束質量與(yu) 能量密度等特點，近幾年在焊接領域不斷攻占原本屬於(yu) CO2激光器和Nd3+:YAG固體(ti) 激光器的市場，未來市場份額還不不斷擴大。而Nd3+:YAG固體(ti) 激光器因發展時間長，市場保有量巨大，未來在一些特殊領域還會(hui) 大有可為(wei) 。

如前文已經提到，目前在市場上，連續焊多用於深熔焊，如在汽車零配件領域基本都是采用光纖（連續）激光器進行焊接，並隨著光纖激光技術及直接半導體激光技術不斷發展，連續焊會應用到更多領域。另外，連續焊接加工以其極高的效率和穩定性很好的契合了目前製造業從手工、半自動化的生產模式轉向智能化、自動化的大趨勢。脈衝焊的市場未來會繼續萎縮，尤其是現階段，光纖激光器已經發展出足以與其抗衡的準連續激光器。但是我們也已更改看到，Nd3+:YAG固體激光器成本低廉，使用簡單易維護，很多特殊材料和特殊焊接要求都要需要使用脈衝焊等特點，也使得脈衝焊未來很長一段時間都會一直存在。

六、結語

如何選擇兩種焊接方式，是一個需要綜合考慮的問題，價格、使用成本、工藝要求、生產效率等因素都應該兼顧到。脈衝焊效率低，使用成本高，但是成本低、單脈衝能量高；連續焊效率高、運營成本低但價高較高，兩者各有優劣，所以各有不同的應用範圍。如果在前期規劃階段沒有謹慎思考與驗證，後期在使用過程中會出現很多意想不到的問題，導致客戶對公司的信任度下降，這對雙方都是一種損失。其實說起來也很簡單，沒有最好的激光焊接方式，隻有最適合客戶的激光焊方案，華俄激光努力為客戶提供最優質最合適的解決方案，找到合適的焊接方式，哪怕是低端的脈衝激光器，也能為客戶創造非常高的價值，實現雙贏!

轉載請注明出處。