為什么光纖激光技術(shù)適合用于管材生產(chǎn)的縫焊？ 。
發(fā)布時(shí)間：2021-09-15 瀏覽：次
在電氣和電子產(chǎn)品中，一種新型技術(shù)通常會取代舊技術(shù)。白熾燈泡本質(zhì)上已成為過去，已由緊湊型熒光燈，鹵素?zé)艉桶l(fā)光二極管替代。黑膠唱片，盒式磁帶和光盤幾乎已被電子文件取代。膠片相機(jī)在某些收藏者中很受青睞，但從本質(zhì)上說，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占領(lǐng)了市場。半個世紀(jì)以前，基于真空管的無線電和放大器被固態(tài)單元（基于半導(dǎo)體的現(xiàn)代產(chǎn)品）推出。
幾十年來，工業(yè)激光器市場一直以CO2品種為主。當(dāng)應(yīng)用于管式軋機(jī)并用于焊縫焊接時(shí)，CO2激光雕刻出了一個競爭者的利基市場，這是電阻焊和電弧焊工藝的可行替代方案。如今，CO2品種正逐漸被另一種技術(shù)取代：固態(tài)激光器。
焊接中斷
根據(jù)應(yīng)用場合，管材生產(chǎn)商已使用氣體鎢極電弧焊，高頻電阻焊（HF-ERW），等離子弧焊和激光焊。對于少數(shù)利基應(yīng)用，例如在海平面以下數(shù)千英尺處使用的不銹鋼臍帶線，激光焊接可提供****的效果，從而形成具有其他焊縫無法比擬的焊縫。
但是，與幾乎所有技術(shù)一樣，激光焊接也有一些缺點(diǎn)。首先，它的速度不及較常見的鋼管焊接機(jī)HF-ERW焊接過程。其次，與電弧焊接工藝相比，激光需要更嚴(yán)格的防護(hù)，以保護(hù)操作員免受反射光的傷害。第三，小的焊點(diǎn)尺寸意味著將焊縫保持在12:00點(diǎn)位置至關(guān)重要。較后，這并不是真正的缺點(diǎn)，而是從根本上說是吸引人的地方是，該投資并沒有提供很多經(jīng)濟(jì)利益。激光焊接單元的資本成本與HF-ERW單元的資本成本相當(dāng)。
但是，更多的好處使這項(xiàng)技術(shù)值得研究。
CO2與固態(tài)激光器
顧名思義，現(xiàn)有的CO2激光器使用基于二氧化碳的氣體混合物�；旌螩O2電激發(fā)其他氣體（通常是氮?dú)夂秃猓┮援a(chǎn)生焊接束。一些激光器具有渦輪，切向或羅茨式鼓風(fēng)機(jī)，以使氣體流過由射頻信號或直流電激發(fā)的電極，而另一些激光器具有靜態(tài)氣體混合物，該混合物在經(jīng)過指定的工作小時(shí)數(shù)后即可進(jìn)行交換。必須按照時(shí)間表從諧振器中抽出所有氣體并進(jìn)行補(bǔ)充，這會導(dǎo)致存儲和維護(hù)它們的消耗品，設(shè)施和人工成本增加。隨著氦氣越來越****，這種商品氣將導(dǎo)致運(yùn)營成本不斷增加，并導(dǎo)致其氣源和工廠現(xiàn)場其他氣體的管理。
二氧化碳激光在遠(yuǎn)紅外光譜中以10,600納米（nm）的波長發(fā)射光能，也稱為10μm。該光必須通過一系列用于改變其方向的直射鏡頭和反射鏡的封裝管從激光源引導(dǎo)至工件。正確的維護(hù)需要認(rèn)真注意清潔計(jì)劃和方案，以防止損壞鏡面的高反射率，拋光銅表面，而這些鏡面通常都經(jīng)過特殊涂層處理。另一個要求是它們必須在軸向和正交方向上都保持對齊。也就是說，在每個彎曲位置保持直角，以使光束在輸送管中居中，使聚焦的光束撞擊到管縫上的所需位置。
固態(tài)激光器有光纖或磁盤形式，其功率范圍與CO2相同。像CO2變種一樣，該名稱具有描述性，可以將激光束的來源確定為固體，可以是擠出的玻璃纖維或小的晶體盤。兩者均在固體基質(zhì)中懸浮或摻雜以使用工業(yè)術(shù)語表示的稀土元素，該元素被二極管激發(fā)，以發(fā)出900至1,070 nm（通常稱為1 μm）波長的光。
該波長的主要優(yōu)勢是CO2的十分之一，波長是指它可以通過柔性光纜從激光諧振器傳輸?shù)胶附宇^。該技術(shù)的較大優(yōu)點(diǎn)之一就是：一種非常簡單的光束傳輸系統(tǒng)，它沒有清潔時(shí)間表或?qū)?zhǔn)程序。這樣就消除了費(fèi)力的工作和定期的停機(jī)時(shí)間，從而贏得了車間人員和運(yùn)營經(jīng)理的青睞。對于許多管材生產(chǎn)商而言，大幅度減少必要的維護(hù)時(shí)間可以將生產(chǎn)率提高到可以進(jìn)行升級的程度。就其本身而言，光纖激光器沒有用戶可維修的部件，也沒有每月甚至每年的維護(hù)要求，除了簡單地為冷卻激光器和聚焦光學(xué)器件的冷卻器更換水。
固態(tài)激光器
從設(shè)備的角度來看，固態(tài)激光器所需的資源幾乎不如CO2同類的資源。除了簡化的光束傳輸系統(tǒng)以外，適中的占地面積要求可能會帶來更大的價(jià)值。如今，功率從8到10千瓦（kW）的光纖激光器僅需要類似功率的CO2激光器占地面積的20％。再加上光纖激光器的電效率，它是CO2激光器的電效率的3到5倍，并且每小時(shí)的運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于CO2技術(shù)。較后，固態(tài)激光器不需要?dú)怏w即可產(chǎn)生光束。這里主要關(guān)注的是氦氣，氦氣的供應(yīng)是有限的。成本在上升，在某些情況下，供應(yīng)是合理的。
對于任何激光技術(shù)，操作員的安全都是首要考慮的問題。激光源反射的光會很快損壞視網(wǎng)膜，因?yàn)樗鼈兒苋菀孜占す獠ㄩL。如前所述，CO2光束必須從光源傳輸?shù)焦苤械暮附雍�，以防止�?nèi)部的不可見光與人員接觸。固態(tài)激光器的光纜受到多層保護(hù)，以提高耐用性和安全性，是一種理想的光傳輸設(shè)備。護(hù)眼CO2激光幾乎可以是任何玻璃或塑料材料，因?yàn)槿魏我环N都會吸收很多反射光并阻止其進(jìn)入眼睛。固態(tài)激光器需要保護(hù)眼睛的材料涂有特定波長的材料，該材料會吸收過程中反射的任何光。兩種激光器都需要ANSI 1級外殼，以確保從焊接箱逸出的任何反射光都低于可接受的閾值。
能力和警告。通常，激光焊接用于不銹鋼管，但幾乎適用于任何鐵或非鐵合金。經(jīng)過優(yōu)化，固態(tài)激光器可以焊接壁厚非常薄且直徑很小的管道（例如皮下注射產(chǎn)品），直到厚壁約為5/16英寸（8毫米）。
雖然激光功率和線速度相關(guān)，但這并不意味著增加線速度只是增加激光功率的問題。一方面，實(shí)際限制通常是每分鐘33到49英尺（每分鐘10到15米），以防止頂珠出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象（也稱為駝峰）。另一方面，如果頂部的珠子將被磨碎，刨平，刨毛或以其他方式進(jìn)行美容處理，則這些波浪狀的固化圖案可能會被忽略，從而使生產(chǎn)線運(yùn)行得更快。
與鍛造和電阻焊技術(shù)相比，激光焊縫通常具有非常平行的側(cè)面，并具有很好的可成形性。這是焊接用于排氣系統(tǒng)的400系列不銹鋼管的主要優(yōu)勢，排氣管需要小半徑的彎曲并形成波紋管形狀以進(jìn)行熱膨脹和收縮控制。
固態(tài)激光器產(chǎn)生的光束可以聚焦到比許多CO2激光器更小的光斑直徑。這可能是一個很大的優(yōu)勢，但前提是管磨機(jī)可以在上死點(diǎn)處進(jìn)行接縫并做好邊緣準(zhǔn)備。但是，如果焊點(diǎn)尺寸太小，過度的焊池?fù)]發(fā)性會導(dǎo)致漏接縫和外徑或內(nèi)徑上的焊縫飛濺。較短的波長有助于大多數(shù)鋼比CO2激光器更有效地吸收激光能量，因此必須注意從焊接過程中獲得所需的質(zhì)量。二氧化碳激光在管內(nèi)外清潔焊接方面享有很高的聲譽(yù)，但是在過去的幾年中，為使固態(tài)激光器產(chǎn)生相似的結(jié)果已經(jīng)做了很多工作。
光纖激光器的激光焊接通常受益于帶材邊緣毛刺朝下的焊接。將收縮點(diǎn)的垂直和水平間隙控制為帶鋼厚度的5％或更少，也會帶來高焊接質(zhì)量和外觀的好處。優(yōu)化相對于收縮點(diǎn)的聚焦位置以及通常在帶材表面上的聚焦，有助于確保始終如一的高質(zhì)量并較大程度地減少廢品。
相機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù)的較新進(jìn)展使光學(xué)接縫跟蹤成為一個可靠的子系統(tǒng)，有助于形成高質(zhì)量的焊接接縫。攝像機(jī)檢測到擠壓輥附近帶材的縫隙，以便隨著焊縫位置的變化來計(jì)算聚焦頭的較佳位置。軋機(jī)還可以使用附加的攝像機(jī)來顯示頂部焊珠，以便操作員查找焊接缺陷，例如咬邊，底部填充和缺乏熔合。
隨著減輕車輛重量變得越來越重要，用于結(jié)構(gòu)元件的高屈服強(qiáng)度材料的焊接變得越來越普遍。在許多情況下，傳統(tǒng)的激光焊接系統(tǒng)重新聯(lián)機(jī)以焊接這些零件。面對大工作量的操作員正在懷疑舊的CO2激光系統(tǒng)，因?yàn)樵S多人正在縮短其使用壽命。面對可能發(fā)生的計(jì)劃外停機(jī)，以停工生產(chǎn)以修復(fù)非常復(fù)雜的激光系統(tǒng)或替換為當(dāng)前技術(shù)，一些管材和型材生產(chǎn)商正在轉(zhuǎn)向固態(tài)激光系統(tǒng)，以幫助降低生產(chǎn)成本，延長生產(chǎn)線的正常運(yùn)行時(shí)間和可靠性，并減少實(shí)用性和消耗品費(fèi)用。這轉(zhuǎn)化為更低的零件成本和更高的盈利能力。
新生產(chǎn)線或更新現(xiàn)有生產(chǎn)線的成本理由應(yīng)包括以下注意事項(xiàng)：
1.激光OEM的產(chǎn)品支持的當(dāng)前狀態(tài)
2.有備件和訓(xùn)練有素的服務(wù)技術(shù)人員來安裝它們
3.現(xiàn)有激光器的歷史記錄以及任何未解決或正在進(jìn)行的維護(hù)問題
4.相對于固態(tài)激光器的工藝改進(jìn)
5.固態(tài)激光器和冷卻器節(jié)省的空間
6.消除激光處的氣體存儲
7.取消激光射頻電源和其他電氣柜
8.消除了激光和光束傳輸?shù)恼駝痈綦x
9.減少備件庫存
10.激光器的光纖電纜和冷卻器的過濾器
11.焊接聚焦頭的備用透鏡和光學(xué)元件
12.降低功耗并減少耗材
13.消耗傳統(tǒng)激光的10％的電量
14.消除CO 2，氦氣，氮?dú)夂推渌麣怏w以產(chǎn)生光束
15.消除光束傳輸管的氣體或空氣干燥器
16.消除光束路徑中的消耗性光學(xué)元件
通往未來的道路
考慮到所有主要和外圍因素，固態(tài)激光器的外殼很容易制造。1 μm波長固態(tài)光纖激光器的使能特性提高了管和型材的生產(chǎn)技術(shù)和效率。所產(chǎn)生的收益通常有助于實(shí)現(xiàn)一到三年的投資回報(bào)。
任何可以熔融焊接的材料都可以進(jìn)行激光焊接，因此隨著技術(shù)在功率，可靠性和光學(xué)方面的進(jìn)步，制造管材，管材和型材的許多公司將繼續(xù)受益并在此基礎(chǔ)上開展工作。
