1 前言
雖然激光加工具有種種優點，但在重工業領域應用卻受到限制，主要原因是:1)制品板材比較厚;2)制品形狀大，而且復雜，同類制品量少等。從工序方面來看，焊接時要求焊接坡口對合精度高、在焊接質量方面容易產生氣孔，切割時不可避免地會增大厚板切口的寬度等。
對這類厚板材進行加工時，要求激光器具有焊接、切割所需的足夠的激光功率，光束傳輸容易，可以用于大型構件和復雜構件加工，也可在室外使用等。加工質量要求做到與以往的電弧焊接和等離子切割等同。
為了滿足這些要求，正在開發高輸出功率YAG激光器，加工中的加工狀況監視，以及與電弧工序混合的工序。下面介紹其中的一部分。
2 試驗方法
采用峰值輸出25kW的YAG激光器，可調制振蕩的l0kW級YAG激光器和峰值輸出18kW、可調制振蕩的7kW級YAG激光器。采用芯徑0.8mm和0.6mm的SI型光纖傳輸光束。
圖1示出采用30m光纖傳送l0kWYAG激光時的光束傳送特性。從圖中可以看出，入射功率10kW時傳送損失約800，大部分傳送損失都是由光纖端面的反射引起的。采用YAG激光器時，反射光近800W，這種處理很重要。采用該系統時，處處都要注意不要因反射光而使系統本身受到損傷。
加工時所使用的光學系統是Bf(后焦距)等于200mm，成像倍率為1.69的聚光光學系統。試料，焊接時采用SUS304，切割時采用碳鋼。
圖1 用30m光纖傳送時的傳輸損耗
3 厚板焊接
以前，當板材厚度超過10mm以上時只能采用CO2激光器焊接。CO2激光焊接厚板材有以下缺點:因為是利用反射鏡傳送光束，所以焊接對象受到限制;在加工質量上容易受振蕩光束強度分布變化和激光感應等離子體的影響。
3.1 10kW級YAG激光器的熔深特性
因為以前沒有研究過5kW以上輸出調制對熔深的作用，所以調查了調制波振蕩(以下稱P.W.振蕩)和連續波振蕩(以下稱C.W.振蕩)對熔深的影響。調查結果示于圖2.從圖中可以看出，采用C.W.振蕩時，激光器輸出7.6kW,焊接速度0.2m/min時熔深大約為15mm。采用P.W.振蕩時，激光器輸出6.6kW，熔深大約為20mm，以厚板為對象的低焊接速度時，采用P.W.振蕩效果好。從圖中還可看出，隨著焊接速度加快，P.W.振蕩的熔深變淺。筆者認為這是由于Keyhole形成有無連續性引起的。圖3示出采用P.W.振蕩在低速焊接時峰值輸出對熔深的影響，可以看出，隨著峰值輸出的升高，熔深加深。
圖4示出利用P.W.振蕩的20mm厚板的穿透焊接結果。即使激光器輸出板6kW，也能得到將近15mm的熔深。
圖4 利用高功率YAG激光器(7.6kw,,0.2m/min)的穿透焊接
3.2在配管、容器方面的應用
以上述焊接特性為基礎，研究了用光纖傳送的容器縱向或環形接合方面的應用。圖5示出其應用例子。焊接時，采用7kW級YAG激光振蕩器、可與大型構件對應的x軸5m、寬2.5m,z軸4m的大型CNC裝置。
圖6示出板厚20mm配管的YAG激光焊接結果。任何場合都能得到良好焊接結果。
圖6 板厚20mm配管的YAG激光焊接結果
4 在厚板切割方面的應用
利用YAG激光拆除廢爐的切割技術，要求把由切割所引起的二次生成物控制在最小限度，要求切割速度比以往的等離子切割高，切割厚度視切割材料和切割爐體的不同而有所不同，這里研究了板厚100mm以內碳鋼的切割。
圖7示出切割板厚極限和激光輸出的關系。對0.05m/min及0.2m/min的切割速度進行了研究。從研究結果中可以看出，切割100mm的厚板時目前需要7~8kW的激光輸出。圖8示出用3.8kW切割厚45mm的碳鋼和SUS304所得到的切割剖面。從圖中可以看出，可進行彎曲幅度在2mm以下的高質量分離切割。圖9示出板厚100mm時的圓錐狀樣品的切割結果。因此，如果板增厚，不可避免地會增大切割彎曲幅度。今后，應該研究通過改進光學系統及切割氣體的流向來提高切割質量。
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