固态激光技术已经成熟，导致了新的、具有成本效益的焊接应用的开发，例如混合焊接
在过去的 35 年中，用于焊接的激光已经在特定应用中证明了它们的价值。尽管资本成本高，但精确、强烈的热源使激光器成为具有严格公差、紧密配合和薄材料的正确选择。在这些应用中，激光产生的变形较小，焊缝周围的热影响区 (HAZ) 较小。国际焊接公司 ESAB（南卡罗来纳州佛罗伦萨）的全球产品经理 Ed Hansen 表示，在从医疗设备到汽车车身零件上的钣金搭接接头等应用中，不变形至关重要。
他说随着固态激光器在该领域占据主导地位，激光器变得越来越流行。由于它们的工作波长在近红外线，固态激光器沿着柔性光纤传输光束，而不是沿着旧的 CO2 技术所需的光学元件和反射镜。
“光纤传输的激光器现在可用于更大和更高体积的零件，”他说，并指出目前不使用激光器的自动化焊接应用应该考虑它们鉴于进步。 “你需要为自动化焊接做的大部分事情，”他说，“你需要做才能成功地使用激光。”
纯激光焊接仅限于那些薄-壁和紧公差应用程序。纯激光焊接目前仅限于接头公差允许间隙变化不超过约 0.1 毫米的应用。在许多方面，这种情况正在发生变化。一种方法是混合焊接。
像 ESAB 这样的公司正在利用他们在气体保护金属极电弧焊 (GMAW) 方面的专业知识——想想 MIG——结合光纤传输的激光能量，在这些混合系统中创造出两者的最佳效果. GMAW 的添加意味着使用电弧从金属丝中添加填充材料。 W较厚材料中的区域受益于激光的精确、深穿透热源，并且组合系统更快、更宽容。 “通过添加填充金属，这使您可以开始将激光焊接应用于并非最佳的接头装配和接头设计，”Hansen 说。适度的差距是可以弥合的。一定量的表面污染是可以容忍的，并且可以控制焊接化学和机械性能。设计师还可以添加圆角和加强筋以提高强度并抵抗疲劳失效。 “这意味着激光焊接可以应用于更传统的应用，”他说。
ESAB 的 Hybrio 就是这样一个混合系统，将固态激光器与 GMAW 相结合。据该公司称，它的焊接速度是传统工艺的 3-10 倍，热输入减少了 80-90%。其更宽的珠子桥接的间隙比传统的仅激光工艺宽四倍。同样重要的是，一个适应主动控制系统实时监控焊接接头，调整接头间隙和不匹配，并进一步扩大工艺窗口以处理高达 1.5 毫米的间隙。现在对激光焊接开放的新应用包括造船、建筑、管道供应（例如油田管材）、重型设备/非公路用车和铁路设备。
在混合焊接方面，Jim Hurley Trumpf Inc. 激光技术中心（密歇根州普利茅斯）东南区域销售经理也指出，激光不仅节省了时间，还节省了材料。许多为焊接准备的焊缝都是 V 型槽，传统 GMAW 需要宽接头才能将热能带到底部。随着激光的深度穿透，需要更小的夹角，因此需要更少的填充材料。
固态激光器——功率和多路复用
ESAB 的 Hansen 指出，虽然固态和光纤激光器现在的功率高达几十千瓦，这是实际的极限他们在混合焊接中使用的功率约为 12 kW。在大多数焊接应用中，以光束参数积 (BPP) 表示的光束质量不需要小于 10–12 mm-mrads。事实上，根据 Trumpf 的 Hurley 的说法，对于从混合扫描到远程扫描的“高功率”焊接应用，75% 或更多的大多数应用都需要提供 4-6 kW 功率的激光器，BPP 约为 8 mm-mrad 或更好的。例如，用于焊接的常用激光器是 Trumpf TruDisk 6002。它提供 6 kW 的近红外光束，BPP 为 8 mm-mrad。另一个优点是，一些型号通过多达六根单独的光纤传输能量，使单个激光器能够为多个独立的工作单元供电，从而降低资本成本。
与混合焊接的出现一样重要，Hurley还指出，远程激光焊接仍然很重要。远程焊接使用激光和扫描光学器件的独特远距能力。远程焊接系统快速引导激光束 o非常大的部件，如汽车门和关闭装置。他们焊接许多相隔一定距离的点和短接缝，比传统的点焊方法节省时间。根据 Hurley 的说法，在许多情况下，它会产生更好的焊缝。远程焊接始于通过飞行光学系统传输的 CO2 激光器的远红外光束。今天，他指出固态激光器现在是最佳选择。这意味着安装在普通六轴关节臂机器人上的激光头提供了前所未有的机动性，将激光头的运动与光束的定向运动相结合。
随着固态远程焊接和复合焊接等技术的进步，Hurley相信激光焊接有很大的增长空间，尤其是在北美。 “欧洲人是开发和部署它的领导者，”他说。据赫尔利说，他们对这项技术更满意。 “他们看到了好处，”他说。他相信，这些好处将在北美的制造商身上增长。
增长的基础要素
“激光切割就像离婚，而激光焊接就像婚姻，”林肯电气公司（克利夫兰，克利夫兰）高级激光应用工程师 Paul Denney 说。哦）。 “对于切割来说，干净利落、快速地分离是你所担心的。然而，要获得成功的焊接，您不仅要担心让东西“粘”在一起，还要担心必须做什么才能使“结合”长期持续。对于激光焊接，您必须关注基体和焊缝金属的化学成分、由此产生的焊缝微观结构和热影响区，以及尺寸。”他看到激光焊接在不断发展，从远程焊接到创建拼焊板。 Lincoln Electric 提供激光焊接系统、结合了激光和 GMAW 的混合激光系统以及热线熔覆激光系统。
在 Denney 看来，关键在于将激光焊接视为革命性的，而不是一个进化的过程，espec特别是对于较新的混合方法。 “您不想尝试一对一地更换电阻焊或电弧焊工艺。例如，激光希望为您提供高纵深、深熔焊缝，但如果您查看大多数公司的图纸，他们可能会指定边缘搭接接头或圆角接头，”他解释道。简单地使用激光焊接他们指定的圆角，您无法获得足够高的沉积速率来证明激光的合理性。他说：“你想要做的是使用像对接接头一样能达到激光强度的接头。”
像这样的轶事表明需要在设计过程的早期引入激光焊接，设计工程师以及工厂车间的制造工程师都参与其中。在这一点上，从经济学的角度解释这个过程是至关重要的。 “你几乎需要和财务人员谈谈，”他说，并解释说如果零件是为激光加工而设计的，那么对于像激光这样的快速工艺ss，您实际上可以降低每个零件的成本。
与此同时，制造商必须谨慎对待对主线产品采用新颖的方法。 “你需要轻松进入一些新领域，然后，一旦它证明了自己，[制造商] 就可以信任它并更广泛地使用它，”他说。 “这已经发生在变速器和汽车座椅上。八年前，还没有人真正将激光远程焊接用于汽车座椅，而现在几乎所有供应商都在这样做。为什么？因为他们信任它，”他说。
他还指出，对于特定行业和应用，激光焊接已经达到一定的成熟度，例如拼焊板、传动系统和医疗部件。激光的成本已经下降，但他认为过去几年成本曲线趋于平坦。尽管如此，他预测混合焊接和远程焊接应用都将扩展，取代其他焊接方法。 “从一个点到另一个点扫描激光束要快得多而不是在点之间移动电阻焊枪，即使焊接本身的时间大致相同，”他说。因此，对于相同数量的点焊，这意味着更快的循环时间和更高的产量。
激光系统的机床方法
“与激光切割相比，焊接曾经是背景噪音，这是大多数系统的销售地，”Prima Power Laserdyne（明尼苏达州尚普林）销售和营销副总裁 Mark Barry 说。 “但大约五年前，我们开始看到激光焊接应用的扩展。”
客户包括涡轮机、高精度医疗设备和电子设备制造商。他将激光焊接的发展归因于两个原因：零件的性质和高效、经济的光纤激光器的可用性。 “我们今天处理的零件通常是近净形。我们正在将成品零件连接在一起，”他说。这些高度加工、高价值的零件已经准备好自生过程所需的紧密装配。他们还需要一种能够最大限度减少变形的工艺——非常适合激光焊接。
Laserdyne 集成到其机器中的光纤激光器提供了理想且方便的激光源，以满足精密焊接的需求。光纤传输意味着输出光束源均匀分布为顶帽（与峰值高斯分布相反），具有低发散的优点。
即使光纤激光器出现，激光焊接资本支出成本可能相对较高，但被许多优势所抵消。正如 Barry 从对现有客户的广泛审查中发现的那样，资本成本并不是最重要的购买因素。重要的因素包括良好的过程控制；高质量的焊缝；运行稳定，正常运行时间长；
“正确使用光纤激光器很容易使用，也很容易教人们使用，”他说。 “它们提供了一个很大的可接受参数窗口。”一些客户更喜欢具有许多脉冲的较低平均功率；其他人更喜欢脉冲少的高功率。客户可以从同一个基本系统中获得多种结果。 “简单的工艺实际上意味着我们可以进行更有趣的焊接，”他补充道。
激光开发
Barry 看到的另一个关键开发是一个单一的激光系统，其任务是执行多项操作，例如切割、钻孔和焊接。他将此归因于较新的准连续波 (QCW) 光纤激光器。 “以前，制造商会将激光器集中在同一区域，现在他们将它们分布到工作单元中，因为它们可以执行多项操作，而且不需要精通激光的专业操作员，”他解释说。
Hansen 认为，下一个发展的重大飞跃很可能是高亮度直接二极管激光器。他喜欢的属性包括低成本、高er 电效率和小占地面积或外形尺寸。事实上，它们的尺寸与当前的焊接功率相似。
什么是直接二极管激光器？许多固态激光器使用二极管来激发激光材料。因此，盘式激光器或光纤激光器使用二极管激光器作为中间电源。直接二极管激光器跳过了中间过程。权衡是光束质量较差但效率更高。 Laserline (Santa Clara, CA) 是高功率直接二极管的供应商，用于产生焊接、切割或钎焊中使用的激光束。 “直接二极管系统的电光转换效率在 40-48% 之间，”Laserline 的 Wolfgang Todt 说。
Laserline 的 LDF 系列直接二极管激光器的功率范围为 3-20 kW，但光束质量随着功率的增加而减小。例如，Laserline 的 LDF 3-kW 版本为 20 mm-mrad，6-kW 版本仅为 40 mm-mrads，间距为 150 mm。
这些比以前更好Todt 说，现在有许多应用可以提供足够的光束质量，尤其是在铝焊接中。用直接二极管激光器进行的焊接并不总是自生的。奥迪使用 LDF 二极管使用 2-6kW LDF 激光器将铝与铝硅焊丝焊接在一起。
在其他要求更高质量的应用中，Laserline 为其 LDF 系列激光二极管引入了光束转换器设备。 “对于高达 4 kW 的功率，光束转换器提供 8 mm-mrads 的光束质量，间距为 500-650 mm，”Todt 说。提高质量需要权衡取舍。电光转换效率降低，波束转换器增加资本支出。 Todt 说：“这是我们在需要更高质量光纤传输光束的应用中对光纤激光器的回应。”
