新型高效金刚石圆锯片激光焊接系统

新型高效金刚石圆锯片激光焊接系统

1 引言

金刚石圆锯片在石材加工、建筑、装潢、高速公路切割中应用非常广泛，用量很大。传统的Φ500mm以下锯片都是采用烧结和钎焊的方法进行刀头与基体的连接，由于其强度低特别是高温强度低，切割中会出现刀头飞出的事故〔1〕，所以国外市场正逐步被激光焊金刚石圆锯片所替代。

激光焊接圆锯片具有以下优点：

①激光焊接时，锯片刀基、刀头结合面融化形成共结晶组织，焊缝强度高于母材，其弯曲断裂强度可达1800 Mpa，断口在刀头；而采用钎焊时刀基、刀头结合面靠钎料融化渗透而连接，其弯曲强度仅为350～600 Mpa，断口在焊缝〔1〕。焊缝为细小均匀的柱状晶组织，不易产生裂纹，保证圆锯片在高速切削、冲击载荷的条件下不致于开裂而造成危险。

②焊接速度快，焊缝极窄，热影响区小，对金刚石没有影响，锯片整体几乎无变形，保证了产品的最佳性能。

③可能实现焊接过程自动化，生产效率比传统方法高10倍以上，产品平均成本低，并且质量稳定可靠。

金刚石圆锯片的激光焊接技术始于80年代后期，美国的Norton公司最先采用激光切割圆锯片基体，并逐渐发展到用激光焊接金刚石锯片，此后几家欧洲工具制造商也采纳这

种新技术。

英国的Nimbus金刚石工具公司于1985年引进激光焊接技术，并投资25万英镑用于开展这种高技术方法的研究，建立了先进的焊接自动生产线和完善的焊接质量检验手段。德国的Sonder Maschinen Gmbh公司已研究出新的全自动激光焊接方法，大大地提高了产品的焊接强度。比利时的Diamant Bort公司已有大批量激光焊接圆锯片投放市场。意大利的金刚石工具制造商MG公司率先应用激光焊接金刚石圆锯片，采用3k W CO2激光器用于焊接干式切片，开辟了新的应用领域。

我国是石材大国，也是金刚石锯片生产大国。我国在激光焊接金刚石锯片领域起步并不晚，生产技术也较成熟，但其现有生产能力和市场竞争力却不能与国外相比。其主要原因是我国在金刚石锯片生产中，一般选择了进口成套设备或自制配套设备两条道路。进口设备性能较好，但价格昂贵，运行费用高，因而生产成本高，缺乏市场竞争力。自制配套设备价格和设备运行费用相对较低，但设备使用性能及配套性较差，因而产品质量欠佳，也无市场竞争力。因此开发高质量金刚石锯片激光焊接设备对于我国的金刚石锯片质量的提高具有重要意义，也必然具有良好的经济和社会效益。

2 基于我国现有技术开发金刚石圆锯片激光焊接系统的可行性

经过近二十年的研究开发和推广应用，高功率激光技术在我国的材料加工领域已获得了广泛的应用。特别是在激光的材料表面改性（激光表面处理和熔覆等）方面更取得了明显的经济和社会效益。经分析我们认为影响金刚石锯片激光焊接质量的主要因素是我国现有的高功率激光器的光束质量普遍比较差。

激光热处理只是表面加热，激光功率密度要求较低（104～105 W／cm2），光斑尺寸

较大，但要求光强分布比较均匀。一般情况下，激光器可以在多模条件下运行。激光束的发散角可以比较大，也就是说激光束的光束质量要求不高。

激光焊接则对光束质量提出了不同的要求。对于激光焊接，由于要达到材料熔化，要求有较高的功率密度（5×105～106 W／cm2）。此外，为满足对焊缝的宽度和深度以及焊缝质量要求，对激光束的聚焦半径和焦深都提出了一定的要求。这就要求光束的聚焦能力比较强，也即光束质量的要求比较高。

激光束的光束质量可用光束的M2参数来表示〔7〕：

M2＝（光束的光腰半径×远扬发散角）／（基模高斯光束的光腰半径×基模高斯光束的远场发散角）

由此可见，采用M2评价光束，也就是评价一个实际光束与基模高斯光束的偏差。而基模高斯光束对于焊接等穿透加工方式来说是最适宜的（即具有最大的可聚焦能力和最大的焦深）。因此，M2可以很好地评价一个实际光束是否适宜于穿透加工方式的应用。

M2参数值的大小基本上决定了一个光束是否适宜于穿透加工方式

由上表可见，相同的激光功率密度和焊接速度，M2参数不同，焊接深度明显不同，焊缝质量也不同，高斯基模或准高斯基模具有最佳深度化。

我国现有的可靠运转的高功率激光器主要是高功率横流CO2激光器。普通横流CO2激光器的成本比较低，运行可靠，技术成熟。但最大的缺点是光束质量低，只能用于材料的表面处理。但是华中理工大学激光技术国家重点实验室通过“八五”国家重点科技攻关，

采用多项独创的新技术成功地开发出约束放电激励横流高功率CO2激光器，具有可与国外产品相媲美的光束质量。采用该型激光器技术并配合高效的三工位加工机床和加工工艺，成功地开发了高级金刚石锯片激光焊接生产线。

3 系统简介

①系统结构：如图1所示，该系统由激光器、三工位光路转换器、工作台与工装夹具组成。激光器发出的光将通过三工位光路转换器的反射镜的不同组合达到各个工位；焊接工作台带动锯片旋转，并可以调整一定的倾角，以满足焊接倾

角的需要；工装夹具起定位和夹紧刀头的作用。

②激光器：采用华中理工大学激光研究院研制的约束放电激励横流高功率CO2激光器，最大输出功率2000 W，模式为TEM00＋TME01。该激光器兼具横流激光器及纵流激光器的优点，光束质量好并且稳定，运行成本低，He气消耗量极小，光束质量稳定，能焊接Φ105～Φ500mm各种规格锯片。

该激光器的放电结构可以获得矩形区域内均匀的增益区，配合多折（五折或三折可调整转换），激光谐振腔产生准基模或低阶模激光输出，效率高〔3〕。

③三工位光路转换器：由气缸、反射镜、45°反射镜、电控部分、聚焦透镜及调焦系统组成。焊接工作台呈品字形结构摆布在三工位光路转换器的三个方向，品字形结构使得激光到达工件的光程相等，焊同一规格的锯片时，可以设置同样的工艺参数，使得整批锯片质量稳定一致。激光器工作时，激光经光闸输出，光闸在工作过程中始终处于开启状态，在等待焊接状态。 激光由反射镜1发射到激光吸收堆（后面水冷），此时三工位皆无

激光输出。当某一工位焊接时，只需驱动反射镜1、2或3，将激光导入对应的45°反射镜，经45°反射镜反射的激光将沿垂直方向经过透镜聚焦后作用于工件上，转换器电控系统根据设定的逻辑关系（反射镜2、3和1的逻辑关系相反），改变激光束的走向，实现激光资源的合理分配。系统工作时，三工位可以工作，也可以分时联动。系统联动时，按时间优先原则接受一个工位的申请，将激光输出到该工位，同时将另外两工位锁定在等待状态，并且这一状态一直保持到焊接工位的焊接结束，该工位放弃激光使用权为止，否则其它工位无法工作。三工位能工作，以防一工位出现故障时全线停机。另外三工位的速度可分别调节，以满足同时焊接不同规格锯片的需要。调焦系统能精细地调节焦距，调节精度为0．02mm／100mm。

④工作台及工装夹具：工作台由机架、拖板、手摇丝杆及回转工作台组成。机架起支撑工作台面的作用，四个地脚螺钉能调节机架的水平；转动手轮，丝杆将带动拖板在水平方向移动，以调节焊接所需的偏移量；回转工作台底板与水平面的倾角由撑杆调节，调节范围为4～15°。焊接夹具安放在工作台上，并以锥形轴定位，在步进电机的驱动下，回转工作台带动焊装夹具旋转，速度范围为：0．3～10转／min。

4 生产线运转应用情况

上述系统已经在生产线上长期正常运转，每天十几个小时连续工作，焊接质量稳定可靠。焊接Φ105～Φ500（厚3．2mm）的金刚石锯片完全满足出口质量标准要求。