当选择一个 激光焊接 光源, 焊接材料等多种因素, 关节几何形状, 速度, 和其他必须考虑在内.

在制造业, 由于激光焊接的广泛使用，正确选择激光源是制造商必须解决的实际挑战.

现在, 市场上可用的激光源包括光纤, 脉冲钕: 钇铝石榴石, 二极管, 光盘, 和 CO2 激光源. (笔记: 连续波 Nd: YAG激光源已大部分被光纤和盘式激光器取代, 因此本文不讨论).

激光源的选择必须考虑几个因素, 包括焊接材料, 关节几何形状, 焊接速度, 形位公差, 系统集成要求, 而且当然, 预算限制.

每个激光源都具有独特的特性，可以满足不同的焊接要求. 在某些情况下, 它们也可以被替换.

4 激光类型

二氧化碳激光

CO2激光器, 其工作波长为10604nm，功率范围为 1 至20kW, 是一种高度发达的激光技术. 自 20 世纪 80 年代以来，它一直是高功率加工的主要激光源.

与固体激光器相比, CO2具有更高的转换效率，并且能够大功率连续振荡 (连续波, 或连续波). 激发源是放电型源，波长为 10.6 微米和 9.4 微米. 波长 10.6 μm用于焊接. 气体激光焊接不仅可以焊接金属，还可以焊接树脂，因此被广泛应用于各个领域.

CO2激光焊接 (二氧化碳激光焊接)

A 全反射镜 B 电极 C 激光气体 D 部分反射镜 E 激光束 F 金属镜 G 透镜 H 工件

光纤激光器

这种高效的二极管泵浦激光器使用小芯径硅基光纤.

激光源安装在光纤内, 无需额外校正. 将小芯径光纤映射到聚焦透镜, 最小焦点尺寸可达 10 微米.

紧凑型激光器有两种配置: 低的 电源焊接 (小于300W) 和多模式高功率焊接.

光纤激光器是一类固体激光器，其增益介质是光纤. 光纤激光器已成为固体激光器领域的关键技术, 自从首次提出使用光纤作为激光器的模式选择器以来 [1]. 基本光纤激光器配置的示例如图所示 1.

光纤激光器原理图

数字 1: 光纤激光器原理图

当信号在两个信号反射器之间反复反弹时，来自增益光纤的受激发射会相干地放大信号. 腔体一端的反射器为高反射器 (理想地 100% 信号波长处的反射率) 为了最大限度地反馈到腔体的信号. 腔体另一端的反射器为部分反射器 (也称为输出耦合器) 用于从腔体中提取信号, 以及向腔体提供信号反馈.

光纤激光器的输出可以是连续波 (连续波) 或脉冲. 脉冲光纤激光器是通过调制激光腔的损耗而产生的, 脉冲宽度由损耗调制的时间分布和腔的色散决定.

二极管激光器

单面半导体激光器件功率的提高, 新冷却通道技术的出现, 以及微光学元件技术的进步，可以将光束聚焦到直径小于 1000 微米导致了二极管激光器作为焊接源的兴起.

激光二极管属于光电子学范畴，是处理发光和光检测设备的电子学分支. 激光二极管是一种特殊的 LED 或 IRED，具有相对较大且平坦的 P-N 结.

激光二极管的工作原理

激光二极管是发光二极管，其表面有两个“镜子”以创建激光腔.

激光二极管设计

二极管的p-n结充当激光器的谐振腔. 正向偏压将电荷注入结, 引起光子自发发射.

当二极管正向偏置时, 电荷被注入结的有源区域, 当电子和空穴在结处重新结合时, 产生光子的自发发射.

当这个过程跨越阈值水平时, 通过二极管的电流导致其发射激光——进而产生“激光”.

激光器包括一个光电二极管，用于感测通过激光二极管抛光后端发出的光强度. 需要外部电子设备来控制激光强度, 使用光电二极管的反馈.

盘式激光器

CW 激光器中心的扁平 YD YAG 晶体薄盘, 称为盘式激光器, 旨在消除棒状激光器的固有问题. 一个圆盘的厚度为 0.01 英寸被利用并通过配套冷却装置保持冷却. 这种设计使激光器能够实现功率输出 10 kW，同时保持出色的光束质量.

脉冲钕: YAG激光

该激光器采用单个 Nd:YAG 激光棒通过闪光灯激励产生高峰值功率和低平均功率进行焊接. 例如, 平均功率为35W的激光器可产生6kW的峰值功率. 高峰值功率和窄脉宽的结合不仅保证了材料焊接的质量, 而且还可以有效控制能量输入.

根据穿透尺寸选择激光

根据穿透力，激光的选择可分为三组: 少于 0.01 英寸, 之间 0.01 到 0.03 英寸, 以及超过 0.03 英寸.

一般来说, 可使用多个激光源完成焊接, 然而, 出于性能和预算原因, 只能选择一个或两个光源.

最终决定还可能受到各种其他因素的影响, 比如样品的质量, 地理因素, 售后服务, 系统集成商的偏好, 和受欢迎程度.

焊缝熔深小于 0.01 英寸

脉冲 Nd: YAG激光器是最常用的激光器, 接下来是光纤激光器. 在部件组装方面, 接缝形状, 材料, 和涂层, 整个焊接工艺 必须精确控制, 制作脉冲 Nd: YAG激光器的最佳选择.

凭借其高峰值功率, 脉冲Nd: YAG 激光器可产生光斑尺寸大于 1000 微米, 在选择焊点尺寸和最大化焊接工艺窗口方面提供了极大的灵活性，同时确保生产环境中必要的公差.

这光纤激光器 是该类别中唯一的连续波激光器, 光束聚焦后可产生小于 25 微米, 提供焊接所需的高功率密度. 然而, 保持微加工领域的成本竞争力, 光纤激光器的功率一般限制在200W, 这限制了其最大光斑尺寸和功率密度.

焊接点的尺寸通常不超过 75 微米, 这是光纤激光器的最大限制之一. 实际生产中, 根据配合公差和叠加公差调整接头或部件时，往往很难保证±15mm的误差范围.

光纤激光器主要应用于对焊接接头要求较高的薄材搭接焊，保证稳定性. 光纤激光器采用150mm焦距透镜，可产生直径小于 25 微米, 提供充足的加工空间. 采用搭接焊, 光纤激光器可以产生熔深为 0.01 或更高的高速, 200W 单模光纤激光器可达到 0.004 英寸的穿透深度，速度高达 50 英寸/秒.

另一方面, 脉冲Nd: YAG激光器几乎可以满足除薄箔焊接外的所有应用. 光斑尺寸大, 脉冲宽度, 和峰值功率范围允许调整和优化，以满足各种焊接要求.

0.01 〜0.03英寸 (0.254-0.762毫米) 焊缝熔深

脉冲Nd的应用分类: YAG激光器和光纤激光器仍然适用, 但范围有限. 脉冲 Nd: YAG激光器主要用于点焊, 而光纤激光器的功率约为500W，光斑直径为 0.01 μm可用于低公差的对接焊和角焊. 脉冲 Nd 的性价比: YAG激光相对较高.

功率等级为 500W 和 25W 的激光器在不同的焊接速度下产生不同的焊接熔深. 峰值功率保证穿透性能, 而平均功率决定缝焊的焊接速度.

功率范围在500W至800W之间的二极管激光器适合焊接大公差元件, 但速度一般比光纤和盘式激光器慢. 然而, 它们的大公差可以弥补这个缺点.

焊缝熔深大于 0.03 英寸 (0.762毫米)

所有类型的激光器均适用于该范围. 脉冲 Nd 的穿透深度: YAG激光就在身边 0.05 在 (1.27 毫米), 而其他类型的激光可以达到 0.25 在 (6.35 毫米) 有的甚至超过 0.5 在 (12.5 毫米).

一般来说, 适用于脉冲 Nd 的零件: 钇铝石榴石激光焊接 在这个范围内都比较小, 例如缝焊压力传感器.

汽车行业需要广泛的焊接应用, 和光纤, 二氧化碳, 光盘, 和二极管激光器都可以使用. 从速度和穿透力来看, 汽车行业几乎涵盖所有焊接应用.

寻求平衡

激光源之间的主要区别在于光束质量, 亮度, 和波长.

光束质量是指激光器的聚焦能力, 亮度是指聚焦光束的功率密度.

例如, CO2激光器和光纤激光器具有相似的光束质量, 因此如果其他参数相同, 它们可以产生相同直径的光斑.

然而, 光纤激光光源的波长是CO2光源的十分之一, 这意味着它可以产生的光斑直径也是CO2光源的十分之一. 光纤激光源还具有更好的光束质量和亮度.

在激光焊接, 光束质量和亮度直接影响穿透深度和速度, 但对焊接稳定性和公差没有直接影响.

因此, 在焊接性能和质量之间找到平衡很重要, 和过程窗口的宽度. 值得注意的是，虽然可以降低光束质量以满足特定需求, 光束质量差无法改善.

0.25 英寸穿透力, 上述激光器的焊接速度非常相似. 光纤和光盘比 CO2 更快, 而二极管速度较慢.

使用高功率激光器进行焊接通常需要两班倒, 在选择过程中考虑购买激光器的成本. 虽然CO2激光器被广泛使用并为许多用户所熟悉, 其单次焊接成本明显高于光纤, 光盘, 和二极管激光器.

与等离子焊和电弧焊相比, 激光焊接 在需要熔深超过的焊接应用中具有更多优势 0.25 英寸, 因为它可以大大减少热变形. 这种减少有助于保持零件的几何形状, 消除重塑的需要. 然而, 匹配零件在此厚度下可能会导致问题. 为了克服这个, 焊丝填充工艺流程或组合激光焊接, 等离子焊接, 并可采用电弧焊.

结论

有多种类型的激光源可供选择激光焊接, 每个都有其独特的功能和适合特定要求的能力.

对于用户来说，彻底了解哪种激光源最能满足他们的焊接需求至关重要.

获得焊接系统, 最佳方法是与系统供应商合作, 谁可以为您确定最合适的激光.

您还可以联系各种激光器制造商 并向他们提供焊接样品以确定最佳解决方案.

选择激光器时, 重要的是要记住，焊接必须在熔深方面保持平衡, 速度, 稳定, 适应生产零件和公差.