激光焊接機主要包括激光器、光束傳輸和聚焦系統、氣源(保護氣體)、噴嘴、焊接機、工作臺、操作盤、電源和控制系統等。激光焊設備的核心是激光器,由光學振蕩器及放在振蕩器空穴兩端鏡間的介質所組成。介質受到激發至高能狀態時,開始產生同相位光波且在兩端鏡間來回反射,形成光電的串結效應,將光波放大,并獲得足夠的能量而開始發射出激光。
(1)激光器
激光器是激光設備的核心部分,光纖連續激光器,使導光系統大為簡化,適合三維激光焊接;有利于金屬表面的吸收,更適合于高反射率材料(如鋁合金等)的焊接。
①光纖具有極高的表面積體積比,散熱快、損耗低、轉換效率高、激光閾值低。
②光纖激光器諧振腔內無光學鏡片,具有免調節、免維護、高穩定性等特點。
③具有高功率和高的光電效率,10kW 光纖激光器綜合光電效率達20%以上。
④體積小、壽命長、易于集成系統,易于實現激光的遠距離傳輸,且在高溫、高壓、高振動、高沖擊的惡劣環境中均可正常運轉。
正是由于大功率光纖激光器具有上述優點,其在材料加工領域中的應用范圍不斷擴大,具有極為廣闊的應用前景。
(2)光束傳輸和聚焦系統
光束傳輸和聚焦系統又稱外部光學系統,由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成,用來把激光束傳輸并聚焦在工件上,其端部安裝提供保護或輔助氣流的焊炬。
聚焦透鏡的主要材料是ZnSe,傳輸和聚焦性能良好,價格便宜。但在焊接過程中,聚焦透鏡易受到煙霧和金屬飛濺污染。當激光功率較低(<2kW)時,常采用聚焦透鏡,而大功率(>2kW)焊接宜采用反射聚焦鏡。反射聚焦鏡采用對激光具有高反射的金屬制成。激光焊接中,通常采用帶有不同涂層的銅制拋物面狀反射鏡。該類聚焦鏡鏡面穩定,可與水冷元件配合使用,熱變形小,不易污染,但聚焦性能不如透鏡。聚焦鏡面與人射激光的相對位置精度要求高,調整困難,易引起聚焦光斑像散,且價格較高。
聚焦鏡的焦距對聚焦效果和焊接質量有重要影響,一般為127~200mm。減小焦距可以獲得小的聚焦光斑和更高的功率密度,但焦距過小,聚焦鏡易受污染和損傷。一旦鏡面被污染,對激光的吸收顯著增加,從而降低到達工件的功率密度,且易引起透鏡破裂。
(3)
氣源(保護氣體)
保護氣體對于激光焊接而言是必要的。在大多數激光焊接過程中,保護氣體都通過特殊的噴嘴輸送到激光輻射區域。
(4)噴嘴
噴嘴一-般設計成與激光束同軸放置,常用的是將保護氣體從激光束側面送人噴嘴。典型的噴嘴孔徑為4~ 8mm,噴嘴到工件的距離為3~10mm。一般保護氣體壓力較低,
氣體流速為8~30L/min。
為了使激光焊的光學元件免受焊接煙塵和飛濺的影響,可采用幾種橫向噴射式噴嘴的設計,基本思想是考慮使氣流垂直穿過激光束。針對不同的技術要求,或是用于吹散焊接煙塵,或是利用高動能使金屬顆粒轉向。
(5) 激光焊接機
激光焊接機包括工作臺和控制系統,主要用于實現激光束與工件之間的相對運動,完成激光焊接,分為焊接專機和通用焊接機兩種。后者常用數控系統,有直角二維、三維焊接機或關節型焊接機器人。伺服電機驅動的工作臺可供安放工件實現焊接??刂葡到y多采用數控系統。
(6) 電源
為保證激光器穩定運行,均采用響應快、恒穩性高的固態電子控制電源。