引言

　　隨著激光技術的發(fā)展，人們將注意力越來越多地投注到激光技術在其他技術領域和工業(yè)領域的應用上，并且出現了許多切合實際應用的新設備。在這些激光應用領域中，無不涉及到對激光光束的調制，掃描和焊接技術，與此我們進行了相關討論。

   1、問題的提出

　　通過采用聚焦極好的千瓦級CO2激光可大大提高焊接的速度。與此有關的對傳統(tǒng)激光加工機動力學方面的高要求只有少數激光裝置能滿足。尤其是嚴重彎曲的軌道運動，如小尺寸部件結構的加工更成問題。

　　即使是動力學的激光機，如以線性運作的二維切割設備在切割10 mm 直徑的圓結構時也只能得到約20 m/min 的軌道速度。曲率半徑較小的軌道結構只能降低或減小速度進行。

　 2、解決的途徑

　　替代和補充傳統(tǒng)激光加工機普通的卡笛兒式或交鏈式軸系的方法是采用使激光束在工件上移動的光束偏轉系統(tǒng)。用該系統(tǒng)替代常用焊接和切割頭時，操作系統(tǒng)（龍門吊或工業(yè)機械手）只能承擔對部件的基本定位和加工頭的作用，實際操作進量由加工頭中轉動的光束偏轉系統(tǒng)反射鏡來實現。由于該偏振鏡質量輕，這種光束轉動即使在很高的推進速度（600 m/min） 時也特別。

　　這種光束偏轉系統(tǒng)目前主要用于激光標記或低激光功率（幾百瓦）的焊接。這里激光束通過透鏡聚焦，由兩個相互垂直、通過電流計掃描器驅動的偏振鏡移動光束聚焦在工件上。偏轉系統(tǒng)的結構和操作原理不僅確定了偏轉系統(tǒng)與部件間的距離，還確定了可達工作范圍。因為焦點在一個環(huán)形面上移動，這在原理上決定了像差的出現。這與待加工外形的尺寸，即所需激光束的偏轉角有關，可能限制使用范圍。采用平場透鏡可避免這種像差，可在確定的工作場所用恒定光束強度加工平面工件。

　　由于采用透鏡光學件和掃描反射鏡，商用光束偏轉系統(tǒng)的供應商將可傳輸的激光功率限制在幾百瓦，而對于機械制造中通常的毫米級焊深來說，則需幾干瓦功率的激光。

　 3、高功率激光的光束偏轉系統(tǒng)

　　夫朗和費材料-射柬技術研究所為此研制一種光束偏轉系統(tǒng)，用于激光功率高至4kW 的CO2 激光加工時。這有助于將高技術可實現的加工進給速度化為工業(yè)應用。

　　加工系統(tǒng)由具有電流計掃描器的光束偏轉單元和具有拋物面鏡的聚焦系統(tǒng)組成（圖1），該拋物面鏡可以通過附加反射鏡完成動態(tài)焦點跟蹤。于此產生一種硬件基本塊形成模件式PC卡的控制和特種加工任務的控制程序，該系統(tǒng)還采用光束監(jiān)控附加部件加以完善。此外，為了傳輸高功率激光，對所有光學部件都進行冷卻。

圖1 激光焊接用光束偏轉系統(tǒng)原理圖

　 4、應用實例

　　替代軸運動系統(tǒng)的一個例子是用一維光束偏轉的小部件激光點焊，這里激光功率和脈沖序列同時得到控制。自1977 年以來工業(yè)部門流行的加工中已實現500 ms 內16個焊接點。于是在一個多站加工臺上可將8個圓形彎曲板條焊成一個環(huán)（圖2） 。每年這類焊件數約2000 萬。

圖2 用一維光束偏轉系統(tǒng)和可觸發(fā)控制激光功率產生的臺階式焊縫，焊速為5m/min

 
圖3 用二維光束偏轉系統(tǒng)和可控激光功率將小管焊入孔板，焊速為10m/min

　　另一可望成功的應用領域是將螺帽、管腳、管子等焊入組合部件。圖3 示出將直徑為2.5 mm 的小管焊入孔板。焊接時間約100ms。這里，需要用傳感器控制確定下一待焊管的位置，以免由于位置公差使整個部件扭曲。下面是光速焊接的工藝參數

　?。?）功率密度。 功率密度是激光加工中關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時間范圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在10^4~10^6W/CM^2。

　?。?）激光脈沖波形。 激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內，金屬反射率的變化很大。

　　（3）激光脈沖寬度。 脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

　?。?）離焦量對焊接質量的影響。 激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

　?。?）焊接速度。焊接速度的快慢會影響單位時間內的熱輸入量，焊接速度過慢，則熱輸入量過大，導致工件燒穿，焊接速度過快，則熱輸入量過小，造成工件焊不透。

　　原則上，圖形加工的軌跡，尤其是加工小直徑時，用其他系統(tǒng)也可達到，但采用光束偏轉系統(tǒng)可以幾乎是無限制地實現加工形狀的多樣化。因為對于光束偏轉系統(tǒng)來說，與傳統(tǒng)運動系統(tǒng)的不同在于，在焊縫產生的過程中要保持恒定的進給速度，待加工的幾何尺寸不起重要作用，相反加工頭與部件的定位倒是重要的。