仅在几年前，如果人们想要利用光纤传输的高功率激光光束时，他们所需要考虑的因素包括了资本、运转费用，可靠性，以及激光器是否能够进行所需要的加工过程，而不需要考虑使用哪种类型的激光器。这是因为由光纤传输的连续激光器中只有灯泵浦Nd:YAG棒状激光器是可用的。今天的用户则必须关心用来产生激光束的技术类型，这是因为最近在适于光纤传递的波长可调连续红外激光辐射方面的进展。目前Nd:YAG棒状激光器，掺镱光纤激光器和Yb:YAG薄圆盘激光器已经商业化，可用功率至少可达6kW。
系，测试中有两个光斑大小/BPP组合
目前，激光器用户面临着额外的问题，这些问题是有关激光光束质量和亮度的。最初所用的灯泵浦Nd:YAG棒状连续激光器，功率为4kW时，它可以实现光束的光参数积（发光尺寸和发散角的乘积，BPP）约为20-25mm.mrad， 而上面提到的一些先进激光技术可以得到的BPP达到2mm.mrad。本文介绍了一系列光纤传输的连续激光光源和光束聚焦系统在焊接加工方面的性能，通过对铝和钢进行一系列控制实验来确定以恒定功率为4kW的激光焊接时熔透深度随焊接速度的变化关系。
在我们的工作中，所有的实验都是在相同的材料上进行，而所有的激光能量都是用同一个功率计测量的。同时，我们选择的光学系统所产生的是直径最小的光斑，对于所使用的每个不同的激光源，得到的光斑直径均为0.4mm左右。有四种不同类型的激光，Nd:YAG棒状激光器，Yb:YAG圆盘激光器，和两种掺镱光纤激光器，BPP约为23到4mm.mrad。使用这四种激光，七种传输光纤组合，准直透镜，以及聚焦透镜，所能得到的光束束腰处直径范围约在0.61至0.14mm。此外，经设定四光束聚焦系统，得到的光束直径十分接近0.4mm。在这里进行焊接时，光束的束腰处位于工件的表面，但是所用的光学系统得到的Rayleigh长度范围从1到10mm。
Prometec和Primes公司的激光光束分析器被用来在光束焦斑区测量焦散面。在一系列的测量中，两个分析器被用来对同一束激光进行测量，并使用了同样的光学元件，所得到的测量结果只有很小的差别，差别在±3%以内。在所有的情况下通过对激光功率调整，使得对工件所进行的焊接实验都是在功率为4kW的条件下完成的，尽管有些实验用的激光器在4kW以上也能很好的完成焊接。每束激光都配有风刀以避免烟，尘和/或飞溅物破坏防护玻璃和聚焦用的光学元件。铝焊池中，分别使用流速为8升/分和5升/分的氩气保护焊缝的顶部和底部。焊接钢材时不使用保护气体。
对5mm和10mm厚的S275级碳-锰钢材和5082-O型的铝合金进行熔融实验。样品被加工出锥面，这样，当以匀速完成单道焊接后，就可以得到对部分熔透焊轮廓以及对全熔透条件的评估。这些样品被装夹，使得加工过的锥面朝下。为了消除散热带来的不同，四束激光采用了同样的装夹方法。对于每一个不同尺寸的激光/光斑组合，所得到的数据被用来构建熔透深度随焊接速度变化的曲线图，作为对结果进行分析的起点。虽然本文中讨论的这些结果与铝的焊接有关，但是类似的趋势在碳-锰钢的熔融过程中也观察到了。
这里使用了四种激光源，设定每一
种得到的光斑尺寸在直径上接近0.4mm
图1给出了实验中所使用两个极端的BPP/光斑尺寸条件下熔透过程随速度变化的曲线。从图中，我们可以很清晰的看出小光斑/BPP更好的情况所具有的潜在优势。例如，在焊接速度为5 m/min时，BPP为4mm.mrad的光源（光纤激光器）与23mm.mrad光源（棒状Nd:YAG）相比，熔透深度提高70%。类似的，熔透深度为4 mm的情况下，4mm.mrad光源与23mm.mrad光源相比，焊接速度上有250%的提高。此外，从这张图片我们可以明显看出，随着焊接速度的提高，光束质量更好的光源在性能上的提高更为显著。
与此相比，图2给出了由四个现有激光源得到的曲线组，只是这里通过调整聚焦的光学元件，使得在所有情况下所得到的光斑直径大小接近4mm。从这个图中可以看到，这些性能曲线之间变化趋势吻合的很好，曲线之间保持一定距离，对于焊接速度较高和较低的情况下，它们之间性能的差别不大。正如我们所预料的，就熔透性和速度而言，性能表现最差的是棒状Nd:YAG激光器，它的BPP为23mm.mrad。其次是光纤激光器得到的曲线，它的BPP为18mm.mrad。在这之上的曲线是另一个光纤激光器，它的BPP为4mm.mrad。在这一组实验中，就熔透性和速度而言，性能最好的是圆盘激光器，它的BPP为7mm.mrad。人们可能会认为后面两者应该倒过来，就是说，4mm.mrad的激光应该比7mm.mrad的激光表现更好。结果中这个明显的分歧将在后面进行讨论。 nextpage
透深度增益随速度的变化关系
在图1中，提高光束质量或者降低光斑尺寸所带来的性能上的改善，随着焊接速度的增加变得更为显著。图3 给出了当光斑尺寸从0.4mm变化到0.14mm（对于4mm.mrad的光纤激光器），以及光斑尺寸从0.6mm变化到0.44mm（对于23mm.mrad的Nd:YAG激光器）的情况下，熔透性的相对增加随焊接速度的变化关系。该图说明，对于光纤激光器来说，当焊接速度低于7.5m/min时，缩小光斑尺寸对于熔透性的促进作用小于10%。但是它上升的很快，而且，很明显，在此速度以上是线性上升。这说明了决定熔透深度的机制在速度约为7/min的时候发生了改变。当使用近红外光焊接时，通常认为所激发蒸气的能量流是从锁孔中流出的，这个现象，与使用CO2激光器焊接所看到离子化蒸气或等离子体不同。这可能是由于当速度小于7m/min时，在该项工作中缺乏性能提升，这一现象可能与光纤激光器在能量密度较高情况于锁孔上方形成等离子体有关。然而，Nd:YAG棒状激光器的数据也给出了类似的趋势，而此前已有研究给出，当使用Nd:YAG激光器进行焊接时，在这一实验中使用的功率密度条件下没有等离子体存在。
对于焊接速度的依赖性也同样可以从图4中看出，图4给出了在这项工作中，对于7种不同的BPP和光斑尺寸组合，所得到的熔透深度，图中是以光斑尺寸的倒数为横坐标，在3种不同的焊接速度1，5，和15m/min情况下得到的。对于高达3 mm-1的情况，它对应了这里实验中光斑尺寸在0.3和0.61 mm之间的情况，数据点显示出近似线性趋势，不同的斜率对应了不同的焊接速度，这正如所预计的。然而，在光斑倒数为3 mm-1以上时，数据斜率的变化很明显。对于焊接速度最小，即1m/min的情况，对于任何直径小于0.3mm的光斑，熔透深度没有进一步的提高。这个现象与焊接速度为5m/min和15m/min的情况类似，不过，在这两种速度下，当光斑倒数高于3 mm-1时，仍可以观察到熔透深度稍微提高，不过数据中拐点仍然不清楚。这说明，除非是以高速进行焊接（特别是高于7m/min），否则无须要求聚焦光斑直径小于0.3mm。
当我们画出7种不同的BPP/光斑尺寸组合的熔透数据与所使用聚焦光束亮度的关系图时，看到了另一个有趣的趋势（如图5）。这里亮度被定义为在聚焦光束的锥角内每立体角可用的能量密度，单位为W/mm2.sr。可以看到，熔透深度随着激光束亮度的增加而增加，亮度可增加到33x105 W/mm2.sr，对于焊接铝的情况，在不考虑速度的情况下，该亮度是最大化熔透深度的最佳值。在高于这个亮度的情况下，熔透深度开始下降，不过在这里，我们注意到仅基于一组数据点就得到了该结论。
在焊接钢材时，我们也发现了同样的趋势，只是对于钢材来说，“最佳”的亮度略微依赖于速度。这张图也可以被用来解释上述图2中明显的反常现象，该处提到7mm.mrad的圆盘激光器似乎性能要优于4mm.mrad的光纤激光器。图2中，4mm.mrad的光纤激光器对应的曲线是使用了图5中最右边的数据（亮度约为55W/mm2.sr），而图2对应圆盘激光器的的曲线是由亮度为18x105 W/mm2.sr的数据得到的。两组数据都对应了直径0.4mm的光斑。
图5中给出了两组数据让我们清楚的看到圆盘激光器的熔透深度整体上高于光纤激光器。我们认为这是因为圆盘激光器以及它特殊的光束传递系统比光纤激光器更为接近“最佳”亮度，即使在这里圆盘激光器的BPP要小于光纤激光器。该图还说明了，如果使用“最佳”光束传递系统，不论是光纤激光器还是圆盘激光器都能够得到一组熔透深度随速度变化的数据点，其位置高于图2中的任何一条曲线。
亮度的关系。点线代表了“最佳”光
束亮度。由垂直的方框标出的一组点
代表由7mm.mrad圆盘激光器得到的数
据点以及由4mm.mrad光纤激光器得到的
数据点，它们对应的光斑尺寸均为0.4mm
结论
这一系列精心控制的测试结果的一致性表明，对任一给定光源来说，激光器的类型和波长并没有显著影响焊接性能，这里的焊接性能是从熔透性和速度的角度来说的。更为重要的是所使用的光参积和聚焦光斑尺寸的组合问题。结果显示这两个参数（通过光束传递和聚焦系统）与所产生的激光束亮度相关联。就熔透性和速度来说，在“最佳”亮度处性能最好，该亮度小于实验中几个激光/聚焦光学元件组合所能得到的亮度。目前，还需要进一步的工作以解释所得到的结果，并且利用各种商业化的新型高光束质量光纤和圆盘激光器，获得最佳的焊接性能。
致谢
感谢来自TWI 公司的Anthony Elliott，Paul Fenwick和 Harvey Whitmore提供的帮助。感谢TRUMPF和IPG公司的支持。英国Yorkshire和Humber地区开发部门提供了赞助。
Paul Hilton（paul.hilton@twi.co.uk）和 Geert Verhaeghe（geert.verhaeghe@twi.co.uk）服务于英国剑桥Great Abington的 TWI 公司。
The consistency of the results from this carefully controlled series of trials has shown that the type or wavelength of the lasers used does not impact significantly on the resulting welding performance in terms of penetration and speed for any given source. What is important is the combination of beam parameter product available and the focused spot size used. It would also appear that these two parameters are linked (in practical terms by the design of the beam delivery and focusing system) to the brightness of the resulting laser beam.
