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光纤激光器双焦点焊接工艺

概述

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。激光焊接时,激光通过聚焦元件被聚焦于工件表面,而激光的聚焦特性直接影响到激光焊接的效果。随着大功率激光器技术的发展,激光深熔焊技术已经开始大量地应用于汽车、造船、核电站结构件、航空航天等领域。但是由于激光本身的聚焦特点,光斑较细,这对焊缝的工件间隙提出了很高的要求。实际工业生产中,焊缝由于加工、装配精度等原因,往往会有一定间隙。针对这一问题,双焦点、多焦点、摆动焊接等新型激光焊接工艺被开发出来,以提高激光焊接对装配精度的适应性及焊接过程的稳定性、改善焊缝质量,从而获得较好的激光焊接效果。

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如图所示为两种典型的获得双焦点的方法。(a)所示为采用屋脊式镜片, (b)所示为采用光学衍射镜片,激光束被一分为二,聚焦后产生两个焦点。采用双焦点工艺焊接,在保留激光焊接大熔深优点的同时,焊缝相对较宽,对焊缝间隙有较好的适应性。

应用案例

电磁阀部件双焦点激光焊接

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该电磁阀部件应用于制冷行业,工作时需承受一定压力,对焊缝强度有较高要求。

一般情况下,光纤激光器的激光束呈高斯分布,由于瞬间高能量作用于材料表面,材料汽化产生匙孔,焊缝截面一般呈钉子形,焊缝有较大的深宽比,如下图所示。 

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实际生产中,电磁阀体部件焊接接头存在一定间隙,或者装配精度不高。为确保批量生产的产品合格率,焊缝截面需达到一定的宽度,同时焊缝熔深需满足工艺要求。   

实验条件

采用创鑫激光的MFSC系列800W连续激光器进行焊接实验。

整套激光焊接设备如图4所示。

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MFSC-800单模连续光纤激光器,电光转换效率高、光束质量好、结构紧凑、免维护,激光输出功率为800W,可用于不锈钢、碳钢、铝、铜等金属材料的切割、焊接、钻孔,在钣金切割、五金加工、家电制造、汽车制造等领域应用广泛。

实验方案

在激光焊接头上加装双焦点镜片。激光束经过双焦点镜片后,由于衍射作用被分为两束光,最终聚焦为两个焦点。焦点之间呈一定尺寸。测试光束的M2,如图所示为离焦量-2mm至+3mm处的光束分布。可知双焦点分布范围较宽,对于实际焊接生产有较好的适应性。

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实验结果

下图所示为采用双光束焦点镜片的焊缝截面形貌(不同工艺参数下)。相比一般的光纤激光焊接,此时的焊缝在具有较大熔深的同时,截面较宽,即使焊接接头存在一定间隙或者装配时对中较差、存在错位,也能保证优良的焊接效果。

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