大功率激光焊接的工艺研究及应用

         目前，大功率二氧化碳激光设备已经在国内广泛应用，对于大功率二氧化碳激光焊接工艺的研究在过去的二十年间也取得了丰硕的成果。在针对焊接工艺的研究中，我们发现，作者大部分都是针对激光功率、速度等参数的变化对焊接结果的影响进行试验和讨论，而对激光焊接的工艺研究以及应用的讨论却麟毛凤脚。
         图1、双光束聚焦光路原理
        事实上，我们对比国产设备和进口设备的差异，发现国外的激光设备制造厂商对于大功率激光焊接的工艺研究以及应用已经走在了国内厂商的前面。例如对板材拼缝焊采用双光束聚焦（图1），对圆弧形焊缝采用三光束聚焦，对不同深度的板材或者工件焊接采用焦点间距可变的双光束聚焦（图2）。
  图2、焦点距离可变的双光束聚焦

        对于这些激光光束和焊接效果的对应关系的研究或者是对焊接过程的量化分析，也是建立在通过获取激光光束的定量和定性分析结果的基础上。而目前绝大部分的光束分析系统都是基于CCD或者CMOS探头，面对数千瓦甚至数万瓦的输出功率，基本是无能为力。即使是通过分光或者衰减最终获得的图像也不能保证图像和真实光束的一致。这也是国内的焊接工艺的研究者很少从光束能量分布的角度去研究焊接工艺的原因之一。

图3、Beam Scanner结构原理图

        图3（图片来源：Primes公司产品资料）是对大功率或者光束直径较大的光束分析测试系统的结构原理。我们可以看到图中蓝色的探针，顶端是一个极小的45度反射面，在光束的截面中取出一点反射至探测器件。探针安装在伺服系统之上，使其可以在整个光束截面内移动，最终得到光束截面的能量分布。事实上此类产品更加适应于进行大功率激光器的光束质量测试。
        
        而对焊接工艺的研究和控制能够起到更大指导作用的则是焦点分析系统。焦点分析系统的工作原理和Beam Scanner类似，但是它的探测面不仅能在光束截面中移动，还能够沿光束方向取多个横截面，最终得到类似于医学CT图像的焦点光束的空间分布图形（图4）。而通过这个测量结果可在软件中得到焦点光束沿轴线的剖面以及所有的特性参数（图5）。nextpage

图4、焦点扫描分析结果

        众所周知在激光焊接过程中，焦点未必就一定在工作面上，在很多情况下，离焦量的多少能直接影响焊接工艺。但是对于数千瓦以上的激光，即使用传统的烧蚀法来寻找光斑最小位置也很难得到准确的焦点高度位置。所以如果仅仅是获取焦点处的光斑能量分布是不够的，而这样的整个焦点附近的光束分析结果，使得我们在进行工艺研究的时候能够得到我们需要的充分条件。事实上，通过系统中软件的分析，我们可以得到更加详尽的结果，例如焦点直径、焦点位置等。例如，对于采用反射镜导光系统（“硬”光路）的激光设备，由于导光和聚焦器件在不同激光功率输出时的工作温度不同，会导致焦点高度发生变化，而这个变化会对焊接效果造成重大的影响。在国内的很多论文中，我们可以看到很多针对激光功率改变时焊接效果的改变，但是没有看到焊接效果改变的因素除了功率的改变，还有焦点光束的改变。例如许多的大功率的YAG激光设备都会在激光输出端安装保护玻璃片，而在设备工作过程中，由于平板保护玻璃沿光斑中心的温度不均匀分布造成保护玻璃的焦距的出现而改变激光焦点位置。当然，品质优良的光路器件能够尽可能地减小功率改变对焦点的影响，但是影响既然存在，那么怎么对此进行定量的分析呢？从图5中，通过对焦点光束的分析，我们可以清楚地看到在不同状态下激光焦点的变化。

图5、同一设备1000W和4000W
输出时焦点分析结果

        在我们能获得此类焦点变化的定量分析的结果后，我们就能够在设备的生产过程中进行对应的调整以确保焊接结果，而不是像传统的大型激光设备只能在批次工件加工完成后通过焊缝检测系统来确认焊接效果。此外，设备制造厂商也能通过这些结果对设备进行调整，使得设备在不同参数下运行时能够得到更加稳定一致的效果。
        另一个例子，如前文所说，现在的国外大功率激光设备在针对不同的焊接时采用多光束聚焦系统，甚至是焦点间距可变的多光束聚焦系统，从图6中我们也可以看到对应于不同的焦点距离，焊接效果发生了明显了变化。而在实际工作中，受各方面因素的影响，焦点实际距离和设计指标会有较大的误差，而且在不同激光功率输出时，焦点距离也会发生改变，而这个实际距离很难通过计算得到。也就是说，如果没有焦点分析系统，也就无法有效地设计和控制此类设备。

图6、可变焦点距离双光束分析及焊接效果

        目前此类产品已经开始在国内的研究院所中应用，其中在上海交通大学，研究者特别将Primes公司的Focus Scanner和Power Minitor组成一套全面的测量系统。这样使得焦点分析和激光能量测量可以同时完成。这样的方式，使得他们能够更加深入地研究激光各项特性的变化对焊接工艺的影响。而且这样的组合方式还有一个小的优点就是，Power Minitor取代了本来需要阻挡激光的吸收体，避免了些许麻烦。 
                  
        作者介绍
        郭琛，东隆科技有限公司现任项目工程师，毕业于华中科技大学应用电子技术专业，2000年进入华中科技大学激光加工国家重点实验室以及华工激光工作，2002年进入武汉嘉铭激光有限公司担任项目负责人，2005年参与创建苏州德龙激光有限公司，担任研发部经理，具有丰富光激光加工理论和技术经验。
        李晓溪，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室博士，主要从事激光与物质相互作用的研究。曾任美国Photonics Industry Inc.公司技术支持经理，主要从事半导体泵浦固体激光器的维修与销售工作。进入东隆，参与成立上海办事处并担任销售经理，并担任公司技术顾问。