現在，對許多制造業中的難題來說，激光已經是一個不可缺少的、廉價的解決方案了。激光器的功率成本在持續下降（以美元計），工業激光器的光束質量在不斷改善。現在，又出現了高功率圓盤激光器和光纖激光器，競爭的范圍在不斷擴大，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字、分數或百分比,它把實際得到的值與理論值或最佳值聯系在一起。根據這種方法，術語“激光焊接效率”就是一個比率，是熔化一定數量的金屬所需要的能量（理論值）與被傳送的實際激光能量之比。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溫度所需的能量，包含“真正的熱”、轉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,從室溫到熔化溫度之間，這個熱變化很大。當Cp變化時，便可獲得轉化熱。這些數據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。根據這些Cp值計算，將1克1008號鋼從室溫加熱到熔點溫度所需的能量為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。總之，計算表明：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，將不再強調所謂絕對效率。而術語“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，這個術語不依賴于絕對值。 效率數據的產生和分析 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： ◆工作點的激光功率(千瓦) ◆焊接速度(毫米/秒) ◆焊點熔化面積(毫米2) 在以前的工作4(1995)中，曾經收集和分析了100多套這樣的數據，試圖找出效率和功率、焊接速度、縱橫比等因素之間的關系。但是，由圖2可見，這些數據是非常分散的。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，與到達工作點的功率和焊接速度關系不大。 圖2：激光焊接效率與功率之間的關系 （Laser’95,慕尼黑）在EWI進行的工作中，有可能對焊接和數據分析進行嚴密得多的控制。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) ◆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據,是由德國TRUMPF提供的。第4個激光器的基本數據也示于表1中。在EWI使用的離軸防護氣體(對CO2用氦，對其它的用氬)以24升/分鐘(50cfh)的流量流動。為了分析焊點熔化面積，我們制備了金相學上的焊縫橫截面，并使之成像。焊點熔化面積用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實際測得的激光功率基礎上進行計算： 效率=焊點熔化面積 × 焊接速度/焊接點的激光功率=(mm3/kJ) 激光焊接效率概況如圖5中。注意只有二個數據點是從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。關于效率的討論 與1995年的研究相比，本工作產生的數據要一致得多。在中等焊接速度范圍內，所有四種激光器的焊接效率都很高,約為60mm3/kJ。這相當于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生的。很清楚的是這4種激光器都能產生幾乎是最佳的熔化效率。 運轉成本一覽 運轉成本一覽表如圖6所示。可以用許多方法來審查這些結果，圖中圓柱的相對高度可以因電費、主要的更換項目費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期壽命有關。現在，只有一些簡單的、不充分的數據來估算最終的二極管成本和壽命，但是，這里進行的評估是在現有經驗和擔保的基礎上進行的。 圖6：激光運轉成本一覽表焊接成本一覽 作為焊接效率計算的一部份，估計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。必須再次強調，這些是建立在一套假設基礎之上的相對數字，它們不包括任何激光系統組件或勞動成本在內。重要的是，它們可以代表激光堆焊。這相當于對緊密拼接的零件進行對焊或搭頭時，只有部分滲透的情形。盡管如此，這些數字可用來說明如何才能使激光焊接過程變得相對便宜。 結束語 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，有一些因素是估計出來的。這些因素還會發展，會隨時間而變，就像在表中所顯示的絕對值會發生變化一樣。盡管如此，仍可得出如下的一些重要結論： ◆現代工業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動的焊接,CO2激光器是最經濟的解決方案； ◆在不遠的將來，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）激光技術主管。 聯系方式：stan_ream@ewi.org或訪問www.ewi.org.