現(xiàn)在，對許多制造業(yè)中的難題來說，激光已經(jīng)是一個不可缺少的、廉價的解決方案了。激光器的功率成本在持續(xù)下降（以美元計(jì)），工業(yè)激光器的光束質(zhì)量在不斷改善。現(xiàn)在，又出現(xiàn)了高功率圓盤激光器和光纖激光器，競爭的范圍在不斷擴(kuò)大，潛在的用戶正面臨著許多新問題。 焊接效率 從字面上看,“效率”通常是一個無量綱的數(shù)字、分?jǐn)?shù)或百分比,它把實(shí)際得到的值與理論值或最佳值聯(lián)系在一起。根據(jù)這種方法，術(shù)語“激光焊接效率”就是一個比率，是熔化一定數(shù)量的金屬所需要的能量（理論值）與被傳送的實(shí)際激光能量之比。為了獲得這個比值，必須首先建立理論能量值。在本研究中，所用的材料是低碳鋼，明確地說，是AISI-SAE Grade 1008。 把一定量的金屬從室溫加熱到熔點(diǎn)溫度所需的能量，包含“真正的熱”、轉(zhuǎn)化熱和熔化熱三部份。真正的熱是溫度和熱容量(比熱,Cp)的函數(shù),從室溫到熔化溫度之間，這個熱變化很大。當(dāng)Cp變化時，便可獲得轉(zhuǎn)化熱。這些數(shù)據(jù)不少可從材料手冊中得到，但不是所有信息都可以從這樣的手冊中得到的。收集到的1008號鋼的Cp值示于圖1中。根據(jù)這些Cp值計(jì)算，將1克1008號鋼從室溫加熱到熔點(diǎn)溫度所需的能量為1131J/gm。低碳鋼的熔化約為272J/gm，很容易在書中找到，它是個常數(shù)。總之，計(jì)算表明：熔化1008號鋼所要求的“絕對”能量大約是1403J/gm或11J/mm3。 圖1：1008號鋼的比熱隨溫度的變化 然而, 如此詳細(xì)的信息對許多工程材料來說，都是很難得到的。因此，在我們的分析中，將不再強(qiáng)調(diào)所謂絕對效率。而術(shù)語“激光焊接效率”將被用來描述單位激光能量的熔化量，或mm3/kJ，這個術(shù)語不依賴于絕對值。 效率數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和分析 為了決定激光焊接效率(如上面所定義的那樣)，必須獲得三個值： ◆工作點(diǎn)的激光功率(千瓦) ◆焊接速度(毫米/秒) ◆焊點(diǎn)熔化面積(毫米2) 在以前的工作4(1995)中，曾經(jīng)收集和分析了100多套這樣的數(shù)據(jù)，試圖找出效率和功率、焊接速度、縱橫比等因素之間的關(guān)系。但是，由圖2可見，這些數(shù)據(jù)是非常分散的。然而，由這個圖可以斷定：最大可測得的激光焊接效率約在50-60mm3/kJ之間，與到達(dá)工作點(diǎn)的功率和焊接速度關(guān)系不大。 圖2：激光焊接效率與功率之間的關(guān)系 （Laser’95,慕尼黑）在EWI進(jìn)行的工作中，有可能對焊接和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行嚴(yán)密得多的控制。在所探討的4種激光器中，EWI就有3種： ◆PRC，6kw CO2激光器 ◆IPG,4千瓦光纖激光器(在3.8千瓦下試驗(yàn)) ◆TRUMPF，4千瓦,燈泵Nd:YAG激光器。 來自第4個激光器，4千瓦圓盤激光器的數(shù)據(jù),是由德國TRUMPF提供的。第4個激光器的基本數(shù)據(jù)也示于表1中。在EWI使用的離軸防護(hù)氣體(對CO2用氦，對其它的用氬)以24升/分鐘(50cfh)的流量流動。為了分析焊點(diǎn)熔化面積，我們制備了金相學(xué)上的焊縫橫截面，并使之成像。焊點(diǎn)熔化面積用AutoCAD分析(見圖3)。幾種激光器的焊接速度/滲透曲線示于圖4中。 圖3：焊點(diǎn)熔化面積分析方法 圖4：在低碳鋼中，激光焊接深度隨焊接速度的變化。激光焊接效率在焊點(diǎn)實(shí)際測得的激光功率基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算： 效率=焊點(diǎn)熔化面積 × 焊接速度/焊接點(diǎn)的激光功率=(mm3/kJ) 激光焊接效率概況如圖5中。注意只有二個數(shù)據(jù)點(diǎn)是從TRUMPF圓盤激光器得到的。 圖5：在低碳鋼中，激光焊接效率隨焊接速度的變化。關(guān)于效率的討論 與1995年的研究相比，本工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要一致得多。在中等焊接速度范圍內(nèi)，所有四種激光器的焊接效率都很高,約為60mm3/kJ。這相當(dāng)于66%的絕對效率,這個絕對效率以早期的Cp和熔化能討論為基? １萐wift-Hook和Gick預(yù)言的最大效率48%要高很多。但是，兩者之差雖然很大，但其中的一半是由于采用的Cp不同和在分析中不考慮溶解熱所產(chǎn)生的。很清楚的是這4種激光器都能產(chǎn)生幾乎是最佳的熔化效率。 運(yùn)轉(zhuǎn)成本一覽 運(yùn)轉(zhuǎn)成本一覽表如圖6所示。可以用許多方法來審查這些結(jié)果，圖中圓柱的相對高度可以因電費(fèi)、主要的更換項(xiàng)目費(fèi)用和維修間隔的變化而大大改變。最棘手的問題與圓盤激光器和光纖激光器中的二極管激光器預(yù)期壽命有關(guān)。現(xiàn)在，只有一些簡單的、不充分的數(shù)據(jù)來估算最終的二極管成本和壽命，但是，這里進(jìn)行的評估是在現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)和擔(dān)保的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 圖6：激光運(yùn)轉(zhuǎn)成本一覽表焊接成本一覽 作為焊接效率計(jì)算的一部份，估計(jì)了每種堆焊情況的熔化率(mm3/s)。采用中速焊接的典型值和由圖6得到的成本值，有可能表示焊接的平均成本，如表2所示。必須再次強(qiáng)調(diào)，這些是建立在一套假設(shè)基礎(chǔ)之上的相對數(shù)字，它們不包括任何激光系統(tǒng)組件或勞動成本在內(nèi)。重要的是，它們可以代表激光堆焊。這相當(dāng)于對緊密拼接的零件進(jìn)行對焊或搭頭時，只有部分滲透的情形。盡管如此，這些數(shù)字可用來說明如何才能使激光焊接過程變得相對便宜。 結(jié)束語 特定成本/厘米3值只是用來度量不同激光器在給定焊接條件時的價值, 此外，還有許多其它的價值因素必須考慮。如上所述，在這個成本檢查中，有一些因素是估計(jì)出來的。這些因素還會發(fā)展，會隨時間而變，就像在表中所顯示的絕對值會發(fā)生變化一樣。盡管如此，仍可得出如下的一些重要結(jié)論： ◆現(xiàn)代工業(yè)激光器的焊接效率超過了以前所相信的最大理論極限； ◆最初投入的激光器成本在整個成本分析中不占主要地位； ◆近紅外激光器提供的焊接效率似乎比CO2激光器略微高些； ◆焊接效率值可用來幫助分析激光焊接過程； ◆對只要求簡單零件運(yùn)動的焊接,CO2激光器是最經(jīng)濟(jì)的解決方案； ◆在不遠(yuǎn)的將來，Nd:YAG激光器似乎有可能讓位給光纖激光器和圓盤激光器。 Stanley L. Ream是位于俄亥俄州Columbus的Edison 焊接研究所（EWI）激光技術(shù)主管。 聯(lián)系方式：[email protected]或訪問www.ewi.org.