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光纤激光技术在市场的发展

发布时间:[2019-11-22 11:21:44]

      对于每一项新技术创新,都会有另一个。一些技术出现并为自己开辟了一个利基市场,从而分割了市场。其他人则取代了先前的技术,使其过时,并占领了市场。

      在电气和电子产品中,一种新型技术通常会取代旧技术。白炽灯泡本质上已成为过去,被紧凑型荧光灯,卤素灯和发光二极管取代。黑胶唱片,盒式磁带和光盘几乎已被电子文件取代。胶片相机在某些顽固分子中很受青睐,但实际上,数码相机已占领了市场。半个世纪以前,基于真空管的无线电和放大器被固态单元(基于半导体的现代产品)推出。

      几十年来,工业激光器市场一直以CO 2品种为主。当应用于管轧机并用于焊缝焊接时,CO 2激光雕刻出了适合竞争者的利基市场,是电阻焊和电弧焊工艺的可行替代方案。如今,CO 2品种正逐渐被另一种技术所取代:固态激光器。

焊接中断 

      根据应用场合,管材生产商已经使用了气体钨极电弧焊,高频电阻焊(HF-ERW),等离子弧焊和激光焊。对于少数利基应用,例如在海平面以下数千英尺处使用的不锈钢脐带线,激光焊接可提供优异的结果,从而形成具有其他焊缝无法比拟的完整性的焊缝。

      但是,与几乎所有技术一样,激光焊接也有一些缺点。首先,它的速度不及最常见的钢管焊接机HF-ERW焊接过程。其次,与弧焊工艺相比,激光需要更严格的防护,以保护操作员免受反射光的伤害。第三,小的焊点尺寸意味着将焊缝保持在12:00点位置至关重要。最后,这并不是真正的缺点,而是从根本上说是吸引人的地方是,该投资并没有提供太多的财务收益。激光焊接单元的资本成本与HF-ERW单元的资本成本相当。

但是,许多好处使这项技术值得研究。

CO 2与固态激光器

      顾名思义,现有的CO 2激光器使用基于二氧化碳的气体混合物。CO 2的混合电激发其他气体(通常是氮气和氦气)以产生焊接束。一些激光器具有涡轮,切向或罗茨式鼓风机,以使气体流过由射频信号或直流电激发的电极,而另一些激光器具有静态气体混合物,该混合物在经过指定的工作小时数后即可进行交换。必须按照时间表从谐振器中抽出所有气体并进行补充,这会导致存储和维护它们的消耗品,设施和人工成本增加。随着氦气越来越稀少,这种商品气将导致运营成本不断增加,并导致其气源和工厂现场其他气体的管理。

      一氧化碳2激光在远红外光谱中以10,600纳米(nm)的波长发射光能,也称为10μm。该光必须通过一系列用于改变其方向的直射镜头和反射镜的封装管从激光源引导至工件。正确的维护需要认真注意清洁计划和方案,以防止损坏镜面的高反射率,抛光铜表面,而这些镜面通常都经过特殊涂层处理。另一个要求是它们必须在轴向和正交方向上都保持对齐。也就是说,在每个弯曲位置保持直角,以使光束在输送管中居中,使聚焦的光束撞击到管缝上的所需位置。

      固态激光器有光纤或磁盘形式,其功率范围与CO 2相同像CO 2变种一样,该名称具有描述性,可以将激光束的来源标识为固体,可以是挤压玻璃纤维或小的晶体盘。两者均在固体基质中悬浮或掺杂以使用工业术语表示的稀土元素,该元素被二极管激发,以发出900至1,070 nm(通常称为1 μm)波长的光。

      该波长的主要优势是CO 2的十分之一波长是指它可以通过柔性光缆从激光谐振器传输到焊接头。该技术的最大优点之一就是:一种非常简单的光束传输系统,它没有清洁时间表或对准程序。这样就消除了费力的工作和定期的停机时间,从而赢得了车间人员和运营经理的青睐。仅此一点就可以在车间和办公室区域中起到“尤里卡!”的作用。对于许多管材生产商而言,大幅度减少必要的维护时间可以将生产率提高到可以进行升级的程度。就其本身而言,光纤激光器没有用户可维修的部件,也没有每月甚至每年的维护要求,除了简单地为冷却激光器和聚焦光学器件的冷却器更换水。

光纤激光技术进入管材,管材生产市场

                                                                                                    IPG光纤激光器的战略座椅组件生产线,以提高生产能力和焊接质量。

固体激光器上的固态激光器

      从设施的角度来看,固态激光器所需的资源几乎不比其CO 2同类的资源多除了简化的光束传输系统外,适中的占地面积要求可能具有更大的价值。如今,功率从8到10千瓦(kW)的光纤激光器仅需要具有类似功率的CO 2激光器占地面积的20%加上光纤激光器的电效率,它是CO 2激光器的电效率的3到5倍,并且每小时的运行成本远低于CO 2技术。最后,固态激光器不需要气体即可产生光束。这里主要关注的是氦,氦的供应是有限的。成本在上升,在某些情况下,供应是合理的。

      对于任何激光技术,操作员的安全都是首要考虑的问题。激光源反射的光会很快损坏视网膜,因为它们很容易吸取激光波长。如前所述,CO 2光束必须从光源传输到管中的焊接箱,以防止内部的不可见光与人员接触。固态激光器的光纤电缆受到多层保护,以提高耐用性和安全性,是一种理想的光传输设备。护眼CO 2激光几乎可以是任何玻璃或塑料材料,因为它们中的任何一种都会吸取很多反射光并阻止其进入眼睛。固态激光器要求保护眼睛的材料涂有特定波长的材料,该材料吸取过程中反射的任何光。两种激光器都需要ANSI 1级外壳,以确保从焊接箱逸出的任何反射光都低于可接受的阈值。

      能力和警告。通常,激光焊接用于不锈钢管,但几乎适用于任何铁或非铁合金。经过优化,固态激光器可以焊接壁厚非常薄且直径很小的管道(例如皮下注射产品),直到厚壁约为5/16英寸(8毫米)。

      虽然激光功率和线速度相关,但这并不意味着提高线速度只是增加激光功率的问题。一方面,实际限制通常是每分钟33到49英尺(每分钟10到15米),以防止顶珠不规则(也称为驼峰)。另一方面,如果将顶珠打磨,刨平,刨毛或以其他方式进行美容处理,则可以忽略这些波浪状的固化图案,从而使生产线运行得更快。

与锻造和电阻焊技术相比,激光焊缝通常具有非常平行的侧面,并具有很好的可成形性。这是焊接用于排气系统的400系列不锈钢管的主要优势,排气管需要小半径的弯曲并形成波纹管形状以进行热膨胀和收缩控制。

      固态激光器产生的光束可以聚焦到比许多CO 2激光器更小的光斑直径这可能是一个很大的优势,但前提是管磨机可以通过良好的边缘准备在上止点处显示接缝。但是,如果焊点尺寸太小,过度的焊池挥发性会导致漏缝和外径或内径上的焊缝飞溅。较短的波长有助于大多数钢比CO 2激光器更有效地吸取激光能量,因此必须注意从焊接过程中获得所需的质量。一氧化碳2激光在管内外清洁焊接方面享有很高的声誉,但是在过去的几年中,为使固态激光器产生相似的结果已经做了很多工作。今天,结果基本上是相同的。

      光纤激光器的激光焊接通常受益于带材边缘毛刺朝下的焊接。将收缩点的垂直和水平间隙控制为带钢厚度的5%或更少,也会带来高焊接质量和外观的好处。优化相对于收缩点的聚焦位置以及通常在带材表面上的聚焦,有助于确保始终如一的高质量并最大程度地减少废品。

      相机和数字信号处理技术的最新进展已使光学接缝跟踪成为一个可靠的子系统,有助于形成高质量的焊缝。摄像机检测到挤压辊附近带材的缝隙,以便随着焊缝位置的变化来计算聚焦头的最佳位置。轧机还可以使用附加的摄像机来显示顶部焊道,以便操作员查找焊接缺陷,例如咬边,底部填充和缺乏熔合。

一个应用插图。固态激光焊接在汽车部件上的典型应用说明了该技术在当前和可预见的将来的作用范围。

      随着减轻车辆重量变得越来越重要,用于结构元件的高屈服强度材料的焊接变得越来越普遍。在许多情况下,传统的激光焊接系统重新联机以焊接这些零件。面对大工作量的操作员正在怀疑旧的CO 2激光系统,因为许多人正在缩短其使用寿命。面对可能发生的计划外停机,以停工生产以修复非常复杂的激光系统或替换为当前技术,一些管材和型材生产商正在转向固态激光系统,以帮助降低生产成本,延长生产线的正常运行时间和可靠性,并减少实用性和消耗品费用。这意味着更低的零件成本和更高的盈利能力。

新生产线或更新现有生产线的成本理由应包括以下注意事项:

  • 激光OEM的产品支撑的当前状态

  • 有备件和训练有素的服务技术人员来安装它们

  • 现有激光器的历史记录以及任何未解决或正在进行的维护问题

  • 相对于固态激光器的工艺改进

  • 固态激光器和冷却器节省的空间

  • 消除激光处的气体存储

  • 取消激光射频电源和其他电气柜

  • 消除了激光和光束传输的振动隔离

  • 减少备件库存

  • 激光器的光纤电缆和冷却器的过滤器

  • 焊接聚焦头的备用透镜和光学元件

  • 降低功耗并减少耗材

  • 消耗传统激光的10%的电量

  • 消除CO 2,氦气,氮气和其他气体以产生光束

  • 消除光束传输管的气体或空气干燥器

  • 消除光束路径中的消耗性光学元件

通往未来的道路

      考虑到所有主要和外围因素,固态激光器的外壳很容易制造。1 μm波长固态光纤激光器的使能特性提高了管,管和型材的生产技术和效率。所产生的收益通常有助于实现一到三年的投资回报。

      任何可以熔融焊接的材料都可以进行激光焊接,因此随着技术在功率,可靠性和光学方面的进步,制造管材,管材和型材的许多企业将继续受益,并在此基础上开展工作。 CO 2先驱者。

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