手持激光焊接实验

　　在激光发明不到15 年后，手持式激光焊接（HHLW）首次被认为是一种应用。然而，直到最近几年，手持激光焊才真正被行业采纳。这几年中，在远程扫描仪、龙门架解决方案和自动化机器人的帮助下，激光在制造业中得到了广泛应用。例如，激光切割已成为加工薄金属板的成熟技术，并且由于激光功率的不断增加，激光切割在切割较厚材料方面的市场份额不断增加。同时，由于加工精度高，激光焊接已越来越多地应用于制造链，如汽车行业——最近应用于电动汽车生产。

　　然而，使用传统手工电弧焊接操作的部门对采用基于激光的解决方案是出了名的抵制。从历史上看，这是由于成本等方面的挑战以及工业环境的要求。然而，随着光纤激光器成本的逐年下降，以及激光焊接头在设计和性能方面的不断进步，手持式激光焊接系统现在已经可以在工业上使用。因此，该技术有很大的潜力，可以颠覆目前市场上的标准生产链。

　　手持式激光焊接系统通常由一个连续或调制发射的光纤激光源组成，功率水平在1-2kW 之间。激光通过QBH 连接器的传输光纤被输送到枪形焊头。来自光纤的发散光束被一个透镜准直，并被转移到一个（或两个）反射镜上，从而实现光束的空间振荡（如图1a 所示）。然后，激光被一个最终的光学元件聚焦并被引向工件。这样的配置意味着根据“EN60825-1 标准”，手持式激光焊接系统通常被归类为4 级（Class-4）激光设备。

　　需要进一步的基本知识

　　目前在科学文献中，缺乏关于手持式激光焊接技术的信息。需要进一步关注的基本方面与使用这种系统的安全性有关（鉴于其分类和手动使用），以及用这种技术生产的部件的机械性能。

　　为了促进对手持式激光焊接的研究，米兰理工大学机械工程系的研究人员在Sitec 激光应用实验室内已经整合了一套灵活的实验装置。开发的手持式激光焊接系统既可以手动操作（图1b）也可以在一个线性轴上操作（图1c），从而为实验运行提供条件。实验设备的开发是为了促进对这种新工艺的动态理解，同时也是为了促进有关激光安全知识的教学目的。

　　Sitec 研究团队就这一主题开展的第一项研究工作，在去年举行的国际激光与电光应用大会（ICALEO）上作了介绍。本文作者与Sice Previt 公司合作，研究不同使用者对使用手持式激光焊接系统进行不锈钢接头焊接的机械性能影响，并与自动驱动系统进行比较。

　　作为传统电弧焊接系统的替代方案。与基于电弧焊相比，激光焊接可实现的焊道特性有助于缩短生产周期，但目前需要进行后处理，以便为部件提供镜面修整并补偿任何热引起的变形。此外，手持式激光焊接系统的易用性让该技术有着非常可观的市场前景，因此评估操作员的培训经验也很有意义。

　　图2显示了调查的主要结果。统计分析表明，机械性能（屈服应力和极限拉伸应力，如图2a 所示）没有受到操作员技能的显著影响。另一方面，专业焊工能够获得明显较低的焊缝宽度变化率，图2b的结果和图2c的金相横截面证实了这一点。如前所述，所显示的参考水平是由直线轴进行的焊接提供的。这些焊缝在一般情况下显示出较低的变化性，从焊缝美观度的角度看，机器人仍然是最佳选择。

　　关于机械性能，在控制条件下的操作报告了更高的平均极限拉伸应力水平。另一方面，接头的屈服应力没有受到焊接系统配置的明显影响。

　　结论

　　事实上，整个行业正在经历一个逐渐采用手持式激光焊接系统的过程。然而，这种技术的深入采用还需要更进一步的技术和安全方面的讨论。在进入生产车间真实实施前，用户应该对这些系统的安全性进行仔细评估。