用光纖激光焊接金屬和合金正為這個領域帶來更多的新功能和更高的靈活性，這使得許多領先製造商對此投以更多的關注，尤其是在航空航天領域。這些研究及進展主要是開發和光纖激光焊接2D及3D零部件相關的工藝和係統，包括低、中和大功率的CW及QCW光纖激光器。

在金屬和合金上的應用業(ye) 已獲得證實，例如304不鏽鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V鈦合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo鈦合金）和鎳基耐高溫合金，包括Inconel 625、Inconel 718和Hastelloy X等高溫合金。憑借其千瓦級的平均功率、1μm的波長與(yu) 高亮度（光束質量），大功率CW和QCW光纖激光器可以提供一種具有新的功能和靈活性的激光光源（圖1）。

 

相比CO2激光焊接，1μm波長的光纖激光器提供的優(you) 點包括：使用光纜而不需要轉動鏡子，這使得光束傳(chuan) 導更為(wei) 簡單；被金屬吸收得更多，尤其是那些良好的導電物質，例如鋁和銅；被焊接熔池上形成的等離子體(ti) 羽吸收得更少。與(yu) 大功率Nd:YAG激光器相比，光纖激光器的亮度更高，這意味著激光光束可以根據需要聚焦為(wei) 較小的尺寸，這將帶來更高的功率密度。這些因素有助於(yu) 在相同功率下獲得比其他激光光源更高的熔深和更快的焊接速度。此外還將有助於(yu) 在種類繁多的金屬和合金中實現更為(wei) 穩定的焊接過程。

在過去的33年中，Laserdyne公司安裝了許多激光焊接機用於(yu) 航空航天（發動機和機身）、汽車、電子、液力聯軸器、醫療設備等應用領域，使用了CO2和Nd:YAG激光器作為(wei) 激光光源，而最近更多使用的是光纖激光器。豐(feng) 富的經驗讓Laserdyne公司能夠充分靈活地利用這些激光器來焊接高附加值的零部件。

焊接金屬和合金

用Prima Power Laserdyne的設備在一係列不同的激光參數和保護氣體(ti) 條件下進行焊接試驗。使用金相分析（截麵）和X射線技術來記錄激光（光斑尺寸、激光功率等）和加工參數（保護氣體(ti) 的類型、氣體(ti) 流速、送氣方法、焊接速度、焦點位置等）以及最終生成的焊縫形狀和結構之間的關(guan) 係。例如，試驗闡明了會(hui) 導致焊縫產(chan) 生氣孔的因素，以及如何獲得無氣孔的焊縫。這些試驗也說明了激光和加工參數對焊縫形狀和結構造成的影響。

最近圍繞激光焊接航空航天用合金的應用進行了最全麵的研究（圖2）。對這些材料而言，最主要的挑戰在於(yu) 對連接的要求極為(wei) 嚴(yan) 格，焊縫不能有任何裂紋或氣孔。必須確保獲得正確形狀的焊縫以保證在高溫下也具有良好的力學性能。試驗證明，CW和QCW光纖激光器具有焊接航空航天用合金的能力。

 

然而，所麵臨(lin) 的挑戰在於(yu) 對激光與(yu) 加工參數的魯棒性能的設置，這意味著要保證焊縫具有持續的穩定質量。Laserdyne針對所有航空航天用合金的焊接應用製定了激光和加工參數。焊接試驗表明，焊接質量不由單個(ge) 參數控製，而是通過一係列激光和加工參數的組合來對焊縫質量施加影響。這些研究還表明，在一係列鎳基和鈦基合金中可以比較容易獲得沒有裂紋和氣孔的焊縫。

焊接試驗還包括了填絲(si) 焊接。某些合金和異種材料的連接需要額外的填充材料，來控製焊縫金屬的結構，避免裂紋的產(chan) 生，從(cong) 而確保獲得所需的力學性能。在其他情況下，填充金屬用於(yu) 控製焊縫的幾何形狀，讓焊縫熔合區的表麵輕微凸起（加固）。填充材料也用於(yu) 彌補激光焊接對接接頭結構中匹配不好甚至不匹配的情況。激光填絲(si) 焊接過程受到多種參數的影響，激光和填絲(si) 的許多參數決(jue) 定了最終生成的焊縫的質量。通過上述焊接試驗，和添加填充材料相關(guan) 的所有重要參數獲得了優(you) 化，這樣能確保焊縫的質量。

帶來新的係統功能

一個(ge) 重要的硬件開發成果是一種新的帶有交叉噴嘴設計的聚焦透鏡組，它可以確保Laserdyne第三代BeamDirector係統（稱為(wei) BD3Y）具有緊湊的外形。交叉噴嘴的設計可以提供一種高流速的氣體(ti) 屏障，以防止焊接區域的金屬火花汙染透鏡的防護滑蓋。這一設計的關(guan) 鍵在於(yu) 交叉噴嘴也能避免焊接保護氣體(ti) 的汙染或幹擾。交叉噴嘴可以影響到完整的保護氣體(ti) 送氣設備，包括焊接同軸氣體(ti) 噴嘴尖端（圖3）。

 

保護氣體(ti) 襯套將為(wei) 焊縫區提供一個(ge) 可控的熔融區域，並且在這裏將冷卻到該材料不受環境大氣影響為(wei) 止。這對於(yu) 那些對環境大氣中的氧氣和氮氣具有很強的親(qin) 和力的焊接材料來說非常重要，例如鈦合金。聚焦透鏡/保護氣體(ti) 組件的設計為(wei) 激光焊接帶來的另一個(ge) 重要好處是，可以通過嵌入式聚焦透鏡來快速調節這些組件，以改變聚焦光斑的尺寸。

加強控製以獲得高質量焊縫

業(ye) 已證明使用Laserdyne S94P控件可以實現新的激光控製功能，尤其是激光功率慢加速控製和亞(ya) 毫秒級的激光脈衝(chong) 整形，這將帶來更一致的高質量焊縫。它擴展了激光焊接應用的材料範圍，從(cong) 而提高了激光焊接係統的靈活性。脈衝(chong) 整形已被證明能有效控製焊縫的形狀和結構。這主要是通過控製焊縫形成以及焊接融合區和熱影響區冷卻過程中的溫度分布來實現的。

例如，通過在脈衝(chong) 的初始部分之後提供較低的脈衝(chong) 振幅來控製合金的冷卻，它隨著激光融合過程中的快速冷卻會(hui) 逐漸變硬。另一個(ge) 例子是對那些反射激光光束的材料使用脈衝(chong) 整形（在前沿部分保持較高的脈衝(chong) 振幅）。快速加熱表麵會(hui) 增加對激光光束的吸收，實現更一致的過程。

上述所有功能已經標準化，並能在該公司的3軸和7軸係統產(chan) 品線中實現這些功能。目前這些光纖激光係統上的進展還隻是剛剛開始：隨著新用戶的加入，毫無疑問他們(men) 獨特的應用及其經驗將能幫助整個(ge) 行業(ye) 提升生產(chan) 力、提高質量，並且獲得更大的效益。

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