高功率YAG激光器应用于加工厚板

1 前言

虽然激光加工具有种种优点，但在重工业领域应用却受到限制，主要原因是：1）制品板材比较厚；2）制品形状大，而且复杂，同类制品量少等。从工序方面来看，焊接时要求焊接坡口对合精度高、在焊接质量方面容易产生气孔，切割时不可避免地会增大厚板切口的宽度等。

对这类厚板材进行加工时，要求激光器具有焊接、切割所需的足够的激光功率，光束传输容易，可以用于大型构件和复杂构件加工，也可在室外使用等。加工质量要求做到与以往的电弧焊接和等离子切割等同。

为了满足这些要求，正在开发高输出功率YAG激光器，加工中的加工状况监视，以及与电弧工序混合的工序。下面介绍其中的一部分。

2 试验方法

采用峰值输出25kW的YAG激光器，可调制振荡的l0kW级YAG激光器和峰值输出18kW、可调制振荡的7kW级YAG激光器。采用芯径0.8mm和0.6mm的SI型光纤传输光束。

图1示出采用30m光纤传送l0kWYAG激光时的光束传送特性。从图中可以看出，入射功率10kW时传送损失约800，大部分传送损失都是由光纤端面的反射引起的。采用YAG激光器时，反射光近800W，这种处理很重要。采用该系统时，处处都要注意不要因反射光而使系统本身受到损伤。

图1 用30m光纤传送时的传输损耗

3 厚板焊接

3.1 10kW级YAG激光器的熔深特性

因为以前没有研究过5kW以上输出调制对熔深的作用，所以调查了调制波振荡（以下称P.W.振荡）和连续波振荡（以下称C.W.振荡）对熔深的影响。调查结果示于图2.从图中可以看出，采用C.W.振荡时，激光器输出7.6kW,焊接速度0.2m/min时熔深大约为15mm。采用P.W.振荡时，激光器输出6.6kW，熔深大约为20mm，以厚板为对象的低焊接速度时，采用P.W.振荡效果好。从图中还可看出，随着焊接速度加快，P.W.振荡的熔深变浅。笔者认为这是由于Keyhole形成有无连续性引起的。图3示出采用P.W.振荡在低速焊接时峰值输出对熔深的影响，可以看出，随着峰值输出的升高，熔深加深。

图4示出利用P.W.振荡的20mm厚板的穿透焊接结果。即使激光器输出板6kW，也能得到将近15mm的熔深。

图4 利用高功率YAG激光器(7.6kw,,0.2m/min)的穿透焊接

3.2在配管、容器方面的应用

以上述焊接特性为基础，研究了用光纤传送的容器纵向或环形接合方面的应用。焊接时，采用7kW级YAG激光振荡器、可与大型构件对应的x轴5m、宽2.5m,z轴4m的大型CNC装置。

　　图6示出板厚20mm配管的YAG激光焊接结果。任何场合都能得到良好焊接结果。

图6 板厚20mm配管的YAG激光焊接结果

4 在厚板切割方面的应用

利用YAG激光拆除废炉的切割技术，要求把由切割所引起的二次生成物控制在最小限度，要求切割速度比以往的等离子切割高，切割厚度视切割材料和切割炉体的不同而有所不同，这里研究了板厚100mm以内碳钢的切割。

图7示出切割板厚极限和激光输出的关系。

5 加工质量管理

原子能领域的焊接其质量管理比较严格，要求能长时间稳定地焊接。下面介绍焊接加工中的监视方法。

5.1 加工中焊接状况的监视

图10示出监视头的构成。下表中示出焊接部发光的抽出方法。这里采用的是在抽出焊接参数、激光器输出、焦点位置变化的同时，探测穿透焊接时内部波稳定性和焊接保护状况。

1 前言

虽然激光加工具有种种优点，但在重工业领域应用却受到限制，主要原因是：1）制品板材比较厚；2）制品形状大，而且复杂，同类制品量少等。从工序方面来看，焊接时要求焊接坡口对合精度高、在焊接质量方面容易产生气孔，切割时不可避免地会增大厚板切口的宽度等。

对这类厚板材进行加工时，要求激光器具有焊接、切割所需的足够的激光功率，光束传输容易，可以用于大型构件和复杂构件加工，也可在室外使用等。加工质量要求做到与以往的电弧焊接和等离子切割等同。

为了满足这些要求，正在开发高输出功率YAG激光器，加工中的加工状况监视，以及与电弧工序混合的工序。下面介绍其中的一部分。

2 试验方法

采用峰值输出25kW的YAG激光器，可调制振荡的l0kW级YAG激光器和峰值输出18kW、可调制振荡的7kW级YAG激光器。采用芯径0.8mm和0.6mm的SI型光纤传输光束。

图1示出采用30m光纤传送l0kWYAG激光时的光束传送特性。从图中可以看出，入射功率10kW时传送损失约800，大部分传送损失都是由光纤端面的反射引起的。采用YAG激光器时，反射光近800W，这种处理很重要。采用该系统时，处处都要注意不要因反射光而使系统本身受到损伤。

图1 用30m光纤传送时的传输损耗

3 厚板焊接

3.1 10kW级YAG激光器的熔深