高功率YAG激光器应用于加工厚板

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。

5.2监视结果

图11示出焊接输出的监视结果与熔深深度的比较。从此结果中可以看出，熔深深度变化0.4mm时，就可探测到输出功率100W左右的焊接变化。图12示出焦点位置和YAG激光器反射光及熔深深度的关系。这里虽然采用焦点深度Bf=200mm的大透镜，但是可以探测士4mm的熔深变化。图13示出穿透和未穿透时的发光强度变化。穿透焊接时，因为熔融金属在板内穿过，所以发光强度下降，于是就能探测到可以获得稳定的内部波焊道的状态。

　　图14示出由于保护气体状态变化，焊道发生氧化时每个脉冲的发光波形与保护气体状态稳定时的比较。从图中可以看出，由于焊道发生氧化，光圈的发光强度增大。关于以上加工中的监视信息，将根据加工对象的不同灵活使用。

图14 保护气体状态的监视结果

6混合激光焊接

为了进一步扩大激光焊接的用途，现开发了一种利用激光焊接和电弧焊接优点的同轴TIG-YAG激光焊接方法。

6.1同轴TIG-YAG激光焊接

图15示出同轴TIG-YAG激光焊接头的外貌。这种焊接方法，是把从光纤射出的光束分开，将TIG焊极设置在其中央，使光束在TIG焊极顶端下方再次聚光，同轴向同一地方照射聚光光束和TIG弧光，进行焊接。

　　对这一过程中的TIG弧光和YAG激光光束的相互作用进行了研究，研究结果认为弧光及光圈光束吸收可以忽略。图16示出高速混合焊接时的弧光稳定性与仅用TIG焊接的比较结果。

6.2同轴TIG-YAG激光焊接的效果

图17示出相对焊接坡口缝隙余量的同轴TIG-YAG激光焊接的结果。仅用YAG时焊接坡口缝隙为0.4mm时，会产生咬边。而同轴TIG-YAG激光焊接时焊接坡口缝隙可达0.8mm。图18示出根据焊接焊道的断面研究气孔发生状况的结果。因为保护气体中使用了Ar，所以仅采用YAG时不可避免在部分焊道中产生气孔。而同轴TIG-YAG激光焊接可以控制气孔的发生，如图19所示，这是因为同轴TIG-YAG激光焊接比单用YAG时栓孔上部的孔径大，金属蒸汽容易排出。

图19 栓孔孔径大小的比较

7 今后的发展

要想扩大激光加工在厚板领域的应用，必须使振荡器实现高功率输出，提高光束传输性能。高功率YAG激光器的应用越来越广，今后，应加强加工质量管理，重点开发加工过程中的监视和相应控制技术。但是，扩大应用也与激光器自身的最初成本有很大关系。今后，应开发价廉的高输出二极管抽运YAG激光器或直接加工用的半导体激光器（LD），以扩大应用领域。