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--热烈祝贺我会联办的科普活动被中国科协评为--优秀科普活动
12月21日，中国科学技术协会办公厅印发《关于对2020年全国科普日有关组织单位和活动予以表扬的通知》（科协办函普字【2020】158号）， 、南京工程学会和江苏省学会服务中心联办的“2020年全国科普日暨第一届‘天印筑梦·科普智行’”活动，被评为优秀科普活动。
激光焊接管材的技术注意事项有哪些？
时间：2020/11/18 14:18:09 浏览次数：3097
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自从二十年前激光焊接技术首次出现以来，情况发生了很大变化。当时这是一个相对未知的过程，对大多数人来说有点神秘，它具有焊接各种不锈钢管的独特属性。如今，新的激光工艺，基于传感器的焊缝跟踪系统和CNC使激光焊接更易于使用，因此对于许多制造商来说，它是理想且适用的工艺。
对于所有的进步，激光焊接工艺和收益基本上保持不变。这是一种熔焊工艺，其中在两个金属表面之间产生熔融熔池，并在几毫秒内固化形成焊件。它可以在传导焊接模式下使用，就像气体钨极电弧焊（GTAW，也称为钨极惰性气体[TIG]）和等离子工艺一样。但是，绝大多数的激光焊接应用以及那些具有最大优势的应用都涉及一种称为锁孔焊接的技术。
在这种模式下，激光束会聚到直径范围为0.010到0.020英寸的光点。这会产生极强的能量密度或功率密度，从而使熔合区迅速加热到熔融金属在焊接束斑中心开始蒸发的点。随着材料的蒸发，它在熔融金属中打开了一个通道（锁孔）。现在，焊束能够更深地进入融合区，而不必像传导焊一样仅在表面传递能量。孔内产生的等离子体产生的蒸气压使它在焊接过程中保持打开状态，而锁孔允许激光能量产生深的高纵横比焊缝。
因此，事实证明，激光焊接是一种优越的工艺，因为它提供的平均热量输入较低，从而导致狭窄的热影响区（HAZ），较少的合金偏析而导致更高的耐腐蚀性以及与退火温度相比所需的时间更少GTAW和等离子焊接，以实现晶粒结构的扩散和均质化。此外，焊接速度可以比GTAW快三到五倍，从而使制造商能够焊接数千英尺的卷材，而无需停止修整或研磨电极。
这些属性在用于汽车，航空航天，食品加工，医疗，石油和天然气以及化学工业的奥氏体，铁素体和双相不锈钢和有色金属管的生产中尤其重要。
激光的不同之处
用于管道焊接应用的所有激光系统均包含以下元素：
1、产生激光束的共振器
2、传输激光束并设置聚焦点位置的光束传输系统
3、聚焦光学
4、冷水机，用于冷却激光谐振器和光学元件
5、接缝跟踪系统
一种保护气体，可防止熔融金属氧化，在某些情况下，还可以防止激光能量在到达熔合区之前受到干扰或吸收。
CO2激光器一直焊接高价值管材的首选技术，全球数百种安装方法都证明了这一点。但是，如今，CO2激光器并不是唯一可用且价格合理的激光器。近年来，固态激光器（磁盘，光纤和直接二极管）已经开始受到关注。主要特性包括更高的壁塞效率（WPE），更简单的光束传输过程以及不需要氦气。
CO2激光器使用氦（He），氮（N）和二氧化碳（CO 2）气体的组合，这些气体通过放电（通常是射频（RF））来激发，以产生波长为一定波长的激光束。为10.6微米。由于电源使用电能产生放电，而放电为激光束供电，因此此过程使用二次相互作用使激光起作用。反对使用CO2激光的两个主要论点是WPE（使用氦气的比例为10％到12％）。令人担忧的是价格，由于得克萨斯州阿马里洛的联邦氦气储备可能关闭，价格在过去几年中一直上涨。
固态特性。磁盘和光纤激光器使用电激发的发光二极管（LED）提供与激光谐振器中的介质反应所需的光能。该反应产生的激光束的波长约为1 µm，WPE为25％至30％。
虽然CO2激光器相对于其他激光器具有多个优点，但其中一个缺点是复杂的光束传输系统。为激光源，传输系统和聚焦光学系统使用单一的坚固基础可以减少周期性对准的频率。
直接二极管激光器直接从LED产生激光束。波长通常在920至1,040 nm之间，并且这种类型的WPE达到40％或更高。
激光类型的影响
选择最佳激光器的四个主要因素：工件的反射率，光束传输方法，轧机的成形能力和安全合规性。
反射率和功率吸收。金属的反射率是为应用选择最佳激光器的一个因素。圆盘，光纤和二极管激光器产生的较短波长具有更好的吸收率，尤其是在焊接高反射率的金属（例如铝，铜和黄铜）时。然而，当产生钥匙孔时，CO2激光器产生等离子体，这有助于更高的吸收。短波长激光器不会出现这种效果。
当以高功率水平或速度进行焊接时，高亮度磁盘和光纤激光器比CO2激光器产生更多的飞溅（排出）。原因是复杂的，尚未完全理解，但是波长和锁孔的几何形状，尤其是角度的入射角，是它们对吸收的影响，是促成因素。飞溅量是否很大取决于要焊接的材料。不管其重要性如何，它的存在都会降低材料的耐蚀性并增加焊辊的维护性，因为它会积累。
光束传输系统。由于其波长较短，因此固态激光束很容易穿过透明材料，例如石英和玻璃。这种特性使得能够使用光纤电缆将光束从激光器传输到聚焦光学器件。由于光纤传输系统不需要对齐，因此，除了与激光器的初始连接外，不需要对齐，这为系统布局提供了更大的灵活性。
两个警告：尽管光纤电缆坚固耐用，但它们容易受到机械和热损伤。机械损坏是由于超过最小弯曲半径而造成的，这可能会使电缆断裂或折断。如果电缆的任一端被污染或激光束发生背反射，则会发生热损坏。
CO2激光器的较长波长需要使用反射镜将光束从谐振腔引导到焊接头。保持镜子对准和清洁是持续的挑战。错位最常见的原因是结构设计不当，其中反射镜，谐振器和聚焦光学器件安装在不同的平台上。精心设计的系统会将这些元素集成到一个公共框架中（请参见图1和图2）。这实际上消除了对常规反射镜对准的需要。此外，当低压，干净，干燥的空气流经适当密封的光束传输系统时，它会大大减少烟雾或灰尘积聚在光束传输镜上的可能性。
形成要求。尽管无论使用电弧技术还是激光技术，管材成型过程都是相同的，但专为激光焊接设计的新型轧机比专为电弧焊设计并升级为激光焊接的轧机生产率更高。但是，将50％到60％的激光焊接系统集成到现有的管轧机中。虽然以15英尺/分钟的速度进行焊接可能是完全可接受的，但是将焊接速度提高到30 FPM或更高可能会显示出局限性。这引起了诸如“轧机能否始终如一地提供良好的边缘表现？”之类的问题。“飞停允许的焊接速度是多少？” 和“其他下游工艺会限制管轧机的最大产量吗？”
光纤电缆是灵活的，因此除了初始安装对准之外，不需要定期进行调整。因此，基础要求并不像CO2激光器那样关键。
尽管电弧焊比较宽容，但边缘状况，焊缝间隙过大，边缘不匹配以及焊缝漂移都会成为问题。由于聚焦的激光束约为GTAW或等离子弧的1⁄10，因此这些问题变得更加关键。条带边缘之间的间隙宽度必须足够小于聚焦激光束的直径（大约0.012英寸）（小于0.004英寸）。为了获得最大的焊接速度和最大的一致性，间隙宽度在技术上应为零。
同样，取决于壁厚，影响焊接强度的带材边缘的高度不匹配应小于15％，因为激光产生的熔池的体积不会补偿两个边缘之间的高度差异。这对于ID上的焊缝尤其重要，因为焊缝不能通过打磨，挤压或锤击来平整。
本文中讨论的所有激光器的波长都有潜在的危险，需要采取预防措施来防止激光导致皮肤灼伤或直接或反射光束对眼睛造成永久性伤害。在美国，美国国家标准学会（ANSI）Z136系列为使用防护眼镜和其他安全使用激光的元素提供了指导。
一些激光是如此强，以至于即使来自表面的漫反射也可能危害眼睛。因此，强烈建议在焊接盒周围使用外壳。对于较短波长的固态激光器，具有特定波长和光密度涂层的护目镜和玻璃就足够了。当使用CO 2激光器时，标准的工业安全玻璃就足够了。固态激光器对安全外壳也有更严格的要求，以减少操作员接近焊接点的机会。请注意，如果外壳必须适应较大的管径变化，则需要附加规定。另外，当必须打开外壳以在打开激光时调整焊接盒工具时，在生产区域周围必须有挡光板。
选择合适的工具
随着当今可用的各种激光技术，选择合适的激光源似乎有些莫名其妙。对于高反射率的材料或薄壁管采用传导焊接时，较短波长的圆盘，光纤和直接二极管激光器值得考虑。对于焊接较重的壁或进行高速焊接，CO2激光器可提供更高的工艺稳定性和更少的飞溅。
可用的技术还有助于激光焊接过程。光学焊缝跟踪系统可主动调整和实时显示激光束相对于焊缝中心线的位置以及间隙宽度和边缘不匹配。如今，光束传输系统可与CNC一起使用，从而可以保存程序。这些程序存储功率水平和保护气体流速，并使用电动X和Z轴控制聚焦光学器件，接缝跟踪设备和保护气体喷嘴的位置，从而减少了从一项工作转换为另一项工作的准备时间。
最后，重要的是要考虑能够提供所有可用激光技术的供应商，例如接缝跟踪设备和完全集成的光束传输系统，并提供经验和工艺知识。这些因素可以帮助最大化正常运行时间和质量。
对于所有的进步，激光焊接工艺和收益基本上保持不变。这是一种熔焊工艺，其中在两个金属表面之间产生熔融熔池，并在几毫秒内固化形成焊件。它可以在传导焊接模式下使用，就像气体钨极电弧焊（GTAW，也称为钨极惰性气体[TIG]）和等离子工艺一样。但是，绝大多数的激光焊接应用以及那些具有最大优势的应用都涉及一种称为锁孔焊接的技术。
在这种模式下，激光束会聚到直径范围为0.010到0.020英寸的光点。这会产生极强的能量密度或功率密度，从而使熔合区迅速加热到熔融金属在焊接束斑中心开始蒸发的点。随着材料的蒸发，它在熔融金属中打开了一个通道（锁孔）。现在，焊束能够更深地进入融合区，而不必像传导焊一样仅在表面传递能量。孔内产生的等离子体产生的蒸气压使它在焊接过程中保持打开状态，而锁孔允许激光能量产生深的高纵横比焊缝。
因此，事实证明，激光焊接是一种优越的工艺，因为它提供的平均热量输入较低，从而导致狭窄的热影响区（HAZ），较少的合金偏析而导致更高的耐腐蚀性以及与退火温度相比所需的时间更少GTAW和等离子焊接，以实现晶粒结构的扩散和均质化。此外，焊接速度可以比GTAW快三到五倍，从而使制造商能够焊接数千英尺的卷材，而无需停止修整或研磨电极。
这些属性在用于汽车，航空航天，食品加工，医疗，石油和天然气以及化学工业的奥氏体，铁素体和双相不锈钢和有色金属管的生产中尤其重要。
激光的不同之处
用于管道焊接应用的所有激光系统均包含以下元素：
1、产生激光束的共振器
2、传输激光束并设置聚焦点位置的光束传输系统
3、聚焦光学
4、冷水机，用于冷却激光谐振器和光学元件
5、接缝跟踪系统
一种保护气体，可防止熔融金属氧化，在某些情况下，还可以防止激光能量在到达熔合区之前受到干扰或吸收。
CO2激光器一直焊接高价值管材的首选技术，全球数百种安装方法都证明了这一点。但是，如今，CO2激光器并不是唯一可用且价格合理的激光器。近年来，固态激光器（磁盘，光纤和直接二极管）已经开始受到关注。主要特性包括更高的壁塞效率（WPE），更简单的光束传输过程以及不需要氦气。
CO2激光器使用氦（He），氮（N）和二氧化碳（CO 2）气体的组合，这些气体通过放电（通常是射频（RF））来激发，以产生波长为一定波长的激光束。为10.6微米。由于电源使用电能产生放电，而放电为激光束供电，因此此过程使用二次相互作用使激光起作用。反对使用CO2激光的两个主要论点是WPE（使用氦气的比例为10％到12％）。令人担忧的是价格，由于得克萨斯州阿马里洛的联邦氦气储备可能关闭，价格在过去几年中一直上涨。
固态特性。磁盘和光纤激光器使用电激发的发光二极管（LED）提供与激光谐振器中的介质反应所需的光能。该反应产生的激光束的波长约为1 µm，WPE为25％至30％。
虽然CO2激光器相对于其他激光器具有多个优点，但其中一个缺点是复杂的光束传输系统。为激光源，传输系统和聚焦光学系统使用单一的坚固基础可以减少周期性对准的频率。
直接二极管激光器直接从LED产生激光束。波长通常在920至1,040 nm之间，并且这种类型的WPE达到40％或更高。
激光类型的影响
选择最佳激光器的四个主要因素：工件的反射率，光束传输方法，轧机的成形能力和安全合规性。
反射率和功率吸收。金属的反射率是为应用选择最佳激光器的一个因素。圆盘，光纤和二极管激光器产生的较短波长具有更好的吸收率，尤其是在焊接高反射率的金属（例如铝，铜和黄铜）时。然而，当产生钥匙孔时，CO2激光器产生等离子体，这有助于更高的吸收。短波长激光器不会出现这种效果。
当以高功率水平或速度进行焊接时，高亮度磁盘和光纤激光器比CO2激光器产生更多的飞溅（排出）。原因是复杂的，尚未完全理解，但是波长和锁孔的几何形状，尤其是角度的入射角，是它们对吸收的影响，是促成因素。飞溅量是否很大取决于要焊接的材料。不管其重要性如何，它的存在都会降低材料的耐蚀性并增加焊辊的维护性，因为它会积累。
光束传输系统。由于其波长较短，因此固态激光束很容易穿过透明材料，例如石英和玻璃。这种特性使得能够使用光纤电缆将光束从激光器传输到聚焦光学器件。由于光纤传输系统不需要对齐，因此，除了与激光器的初始连接外，不需要对齐，这为系统布局提供了更大的灵活性。
两个警告：尽管光纤电缆坚固耐用，但它们容易受到机械和热损伤。机械损坏是由于超过最小弯曲半径而造成的，这可能会使电缆断裂或折断。如果电缆的任一端被污染或激光束发生背反射，则会发生热损坏。
CO2激光器的较长波长需要使用反射镜将光束从谐振腔引导到焊接头。保持镜子对准和清洁是持续的挑战。错位最常见的原因是结构设计不当，其中反射镜，谐振器和聚焦光学器件安装在不同的平台上。精心设计的系统会将这些元素集成到一个公共框架中（请参见图1和图2）。这实际上消除了对常规反射镜对准的需要。此外，当低压，干净，干燥的空气流经适当密封的光束传输系统时，它会大大减少烟雾或灰尘积聚在光束传输镜上的可能性。
形成要求。尽管无论使用电弧技术还是激光技术，管材成型过程都是相同的，但专为激光焊接设计的新型轧机比专为电弧焊设计并升级为激光焊接的轧机生产率更高。但是，将50％到60％的激光焊接系统集成到现有的管轧机中。虽然以15英尺/分钟的速度进行焊接可能是完全可接受的，但是将焊接速度提高到30 FPM或更高可能会显示出局限性。这引起了诸如“轧机能否始终如一地提供良好的边缘表现？”之类的问题。“飞停允许的焊接速度是多少？” 和“其他下游工艺会限制管轧机的最大产量吗？”
光纤电缆是灵活的，因此除了初始安装对准之外，不需要定期进行调整。因此，基础要求并不像CO2激光器那样关键。
尽管电弧焊比较宽容，但边缘状况，焊缝间隙过大，边缘不匹配以及焊缝漂移都会成为问题。由于聚焦的激光束约为GTAW或等离子弧的1⁄10，因此这些问题变得更加关键。条带边缘之间的间隙宽度必须足够小于聚焦激光束的直径（大约0.012英寸）（小于0.004英寸）。为了获得最大的焊接速度和最大的一致性，间隙宽度在技术上应为零。
同样，取决于壁厚，影响焊接强度的带材边缘的高度不匹配应小于15％，因为激光产生的熔池的体积不会补偿两个边缘之间的高度差异。这对于ID上的焊缝尤其重要，因为焊缝不能通过打磨，挤压或锤击来平整。
本文中讨论的所有激光器的波长都有潜在的危险，需要采取预防措施来防止激光导致皮肤灼伤或直接或反射光束对眼睛造成永久性伤害。在美国，美国国家标准学会（ANSI）Z136系列为使用防护眼镜和其他安全使用激光的元素提供了指导。
一些激光是如此强，以至于即使来自表面的漫反射也可能危害眼睛。因此，强烈建议在焊接盒周围使用外壳。对于较短波长的固态激光器，具有特定波长和光密度涂层的护目镜和玻璃就足够了。当使用CO 2激光器时，标准的工业安全玻璃就足够了。固态激光器对安全外壳也有更严格的要求，以减少操作员接近焊接点的机会。请注意，如果外壳必须适应较大的管径变化，则需要附加规定。另外，当必须打开外壳以在打开激光时调整焊接盒工具时，在生产区域周围必须有挡光板。
选择合适的工具
随着当今可用的各种激光技术，选择合适的激光源似乎有些莫名其妙。对于高反射率的材料或薄壁管采用传导焊接时，较短波长的圆盘，光纤和直接二极管激光器值得考虑。对于焊接较重的壁或进行高速焊接，CO2激光器可提供更高的工艺稳定性和更少的飞溅。
可用的技术还有助于激光焊接过程。光学焊缝跟踪系统可主动调整和实时显示激光束相对于焊缝中心线的位置以及间隙宽度和边缘不匹配。如今，光束传输系统可与CNC一起使用，从而可以保存程序。这些程序存储功率水平和保护气体流速，并使用电动X和Z轴控制聚焦光学器件，接缝跟踪设备和保护气体喷嘴的位置，从而减少了从一项工作转换为另一项工作的准备时间。
最后，重要的是要考虑能够提供所有可用激光技术的供应商，例如接缝跟踪设备和完全集成的光束传输系统，并提供经验和工艺知识。这些因素可以帮助最大化正常运行时间和质量。
