往期回顧：焊接氣孔的產(chǎn)生原因和防止措施(激光焊接參考)
選擇激光焊接光源的時候要充分考慮焊接材料、接頭幾何形狀、速度等因素。
隨著激光焊接在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，如何正確選擇激光源是制造商需要面臨的一個現(xiàn)實問題。目前市場上可選擇的激光源有光纖、脈沖Nd:YAG、二極管、碟片還有CO2激光源(CWNd:YAG激光源基本上已經(jīng)被光纖和碟式激光器取代了，因此本文沒有述及)。選擇那一種激光源要充分考慮到各種因素，如焊接的材料、接頭幾何形狀、焊接速度、形位公差、系統(tǒng)集成要求等，當(dāng)然還要考慮預(yù)算。每一種激光源都有其特性，可以滿足不同的焊接要求，當(dāng)然在某些情況下也有可替代性。
◆CO2激光器CO2氣體激光器，波長為10604nm，功率1~20千瓦，是一種非常成熟的激光器，而且是自上個世紀(jì)八十年以來一直是大功率加工的主要激光源。
◆光纖激光器這種高效的二極管泵浦激光器其實是一種小芯徑硅基光纖。激光源出現(xiàn)在光纖內(nèi)，因此不用進(jìn)行校正，而且將小芯徑光纖映射到聚焦鏡上時，焦點尺寸小可以達(dá)到10微米。這種緊湊型的激光器通常以兩種配置出現(xiàn)：低功率焊接(小于300W)的單一模式；以及用于大功率焊接的多模式。
◆二極管激光器單發(fā)光面器件功率的提高，新冷卻通道技術(shù)的出現(xiàn)，加上可以將光束聚焦為直徑小于1000微米光纖的微光學(xué)元件技術(shù)的發(fā)展，都推進(jìn)了二極管作為焊接激光器的出現(xiàn)。
圖片
◆碟式激光器扁平的Yd:YAG晶體薄盤置于CW激光器的中心——碟式激光器這種設(shè)計是為了避免出現(xiàn)棒狀激光器的固有問題，而采用了0.01in厚的圓盤，另一面用冷卻裝置支撐。采用這種設(shè)計進(jìn)行冷卻可以使激光器功率達(dá)到10kW，同時可以保證光束質(zhì)量。
◆脈沖Nd:YAG激光器這種激光器采用單一的Nd:YAG激光棒，通過閃光燈激勵產(chǎn)生焊接所使用的高峰值和低平均功率。比如，一個相對較低的功率，35W平均功率可以產(chǎn)生6kW的高峰值功率。這種高峰值功率和窄脈寬的結(jié)合不僅保證了材料焊接的質(zhì)量，還為能量輸入提供了有效的控制。
按熔深大小選擇激光器
激光器的選擇按照熔深大小可分為：小于0.01in、0.01~0.03in和大于0.03in。一般來說，可以選擇多個激光源來完成焊接，但是出于對性能和預(yù)算的考慮，往往只能選擇一到兩個光源。當(dāng)然，后的決定可能還會受其他很多因素影響，比如樣品質(zhì)量、地理因素、售后服務(wù)、系統(tǒng)集成商的偏好等，當(dāng)然可能還會受人緣關(guān)系影響。
◆小于0.01in焊縫熔深
主要采用脈沖Nd:YAG激光器，其次是光纖激光器。在考慮部件裝配、接頭形狀、材料和鍍層等情況下，需要對整個焊接過程有更好的控制，脈沖Nd:YAG激光器則是的選擇。采用高峰值功率可以產(chǎn)生光點尺寸大于1000微米的焊接光束，在選擇焊點尺寸時具有較大的靈活性，從而使焊接本身的工藝窗口化，同時保證在生產(chǎn)環(huán)境中必要的容差。
光纖激光器是該分類中一種連續(xù)波激光，因為光纖激光器可以使光束聚焦后的光點尺寸小于25微米，這樣就可以獲得焊接所需要的高功率密度。為了保證在微加工領(lǐng)域的價格競爭力，光纖激光器功率一般不超過200W，這樣也就限制了其大的光點尺寸，無法提供足夠的功率密度，一般焊點尺寸不超過75微米。這是光纖激光器一個大的限制，這樣在實際生產(chǎn)中，按配合公差和疊加公差來調(diào)節(jié)接頭/部件時，往往無法保證±15毫米的誤差范圍。
光纖激光器主要用于為了保證穩(wěn)定性對焊點要求很高的厚度較薄材料的搭焊中。光纖激光器采用焦距為150mm的鏡頭可以產(chǎn)生直徑小于25微米的光點，這樣給加工帶來了足夠的操作空間。光纖激光器采用搭焊焊接可以以較高的速度獲得熔深達(dá)到0.01in甚至高于0.01in的焊縫；200W單模式光纖激光器在高達(dá)50in/s速度下可以獲得0.004in的熔深。
相比較來說，脈沖Nd:YAG激光器除了薄箔片焊接外在這個區(qū)間可以滿足所有的應(yīng)用。該激光器的光點尺寸、脈沖寬度以及峰值功率范圍都較大，因此在經(jīng)過調(diào)節(jié)和優(yōu)化后幾乎可以滿足各種焊接需求。
◆0.01~0.03in(0.254-0.762mm)焊縫熔深
上面所說的脈沖Nd:YAG激光器和光纖激光器的應(yīng)用分類在這里依然有效，但是范圍較窄。脈沖Nd:YAG激光器用于大多數(shù)的點焊加工，而采用約500W功率且光點直徑為0.01微米的光纖激光器可以用于低容差的對接焊和角焊中。脈沖Nd:YAG激光器的性價比相對較高，500W和25W功率的激光器可以在不同焊接速度下帶來不同的焊縫熔深；峰值功率可以保證熔深性能而平均功率可以保證縫焊的焊接速度。
功率在500~800W之間的二極管激光器可以焊接容差較大的部件，速度一般要比光纖和碟式激光器慢，但是較大的容差可以彌補(bǔ)這一不足。
◆焊縫熔深大于0.03in(0.762mm)
所有的激光器都適用于此范圍。脈沖Nd:YAG激光器可以達(dá)到的熔深約為0.05in(1.27mm)，而其他類型的激光器可以達(dá)到0.25in(6.35mm)，有些甚至超過0.5in(12.5mm)。一般來說，該范圍內(nèi)脈沖Nd:YAG激光器所適用的焊接部件都比較小，如采用縫焊的壓力傳感器等元件。除此之外，在速度和熔深方面，汽車行業(yè)基本涵蓋了幾乎所有的應(yīng)用范圍，光纖、CO2、碟式和二極管激光器都可以選擇使用。
尋求平衡
這些激光源主要的區(qū)別是光束質(zhì)量、亮度和波長。光束質(zhì)量指的是激光的可聚焦性，亮度指被聚焦光束內(nèi)的功率密度。舉例來說，CO2激光器和光纖激光器的光束質(zhì)量差不多，這樣如果其他參數(shù)都一樣的話，它們可以聚焦成為直徑相同的光點。光纖激光源的波長是CO2光源波長的十分之一，因此光纖激光源可以產(chǎn)生的光點直徑就是CO2光源的十分之一；而光纖激光源的光束質(zhì)量和亮度則更好。
在激光焊接中，熔深和速度是與光束質(zhì)量和亮度成正比的，而焊接穩(wěn)定性和容差與光束質(zhì)量和亮度卻沒有那么直接的關(guān)系。因此，焊接性能和質(zhì)量以及工藝窗口的寬度之間必須尋求一種平衡。需要知道的是，為了滿足實際需求，可以將光束的質(zhì)量調(diào)低，但是無法將較差的光束變好。
在0.25in熔深時，以上幾種激光器的焊接速度非常接近；光纖和碟式要比CO2速度快，而二極管要慢于CO2。采用較高功率激光器進(jìn)行焊接通常需要兩班倒的方式，這意味著選擇哪一種激光器還與采購激光器的成本有關(guān)。雖然CO2激光器擁有大量的用戶，而且他們對這種技術(shù)也非常熟悉，不過與光纖、碟式和二極管激光器相比，CO2激光器單次焊接的成本要高很多。
激光焊接在熔深需求超過0.25in的焊接應(yīng)用中與等離子和弧焊相比要更有優(yōu)勢，可以大大減少熱變形。熱變形的減少可以維持部件的幾何形狀，這樣就不必再對部件幾何外形進(jìn)行重新處理。部件配合在這種厚度下可能會帶來問題，可以采用填絲或?qū)⒓す夂概c等離子焊及弧焊相結(jié)合的工藝流程。
結(jié)論
激光焊接的激光源有很多種，每一種都有其特性，適用于不同的需求。用戶要充分了解哪一種激光源能滿足他們的焊接需求，這點非常重要。如果需要焊接系統(tǒng)的話，的辦法就是與系統(tǒng)供應(yīng)商合作，他們可以決定的激光器。
此外，還可以與不同的激光器制造商接觸，將焊接樣品寄給他們，通過這種途徑來決定的解決方案。在選擇激光器的時候，記住焊接需要在熔深、速度、穩(wěn)定性、生產(chǎn)部件容納性以及容差方面做到均衡。
