夏　騰，杜　丹

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

Nd3+:YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器應(yīng)用于激光焊接機(jī)中的初步研究

夏騰，杜丹

長(zhǎng)春中國(guó)光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長(zhǎng)春 130117

長(zhǎng)脈寬脈沖激光器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光加工、激光醫(yī)療、激光科研應(yīng)用等。其中，應(yīng)用長(zhǎng)脈寬激光器進(jìn)行工業(yè)加工是應(yīng)用最為廣泛的。激光焊接屬于新型焊接方式，是激光材料加工技術(shù)的重要組成部分，其主要應(yīng)用于薄壁材料和精密零件的焊接。通過(guò)激光輻射使工件表面升溫，表面熱量經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)過(guò)程向內(nèi)部擴(kuò)散，控制激光脈沖峰值功率、重復(fù)頻率以及能量、寬度等參數(shù)，熔化工件，形成特定的熔池，工作過(guò)程屬于熱傳導(dǎo)型。本文主要研究擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)的特性，焊接機(jī)的光路調(diào)節(jié)，脈寬可調(diào)脈沖激光器的激光焊接實(shí)驗(yàn)等。

長(zhǎng)脈寬脈沖；激光焊接機(jī)；激光器

1 緒論

采用激光焊接，主要應(yīng)用激光的方向性好及輸出功率高的特性，通過(guò)聚焦裝置可以使激光光束形成非常微小的光斑，同時(shí)獲得非常高的能量密度，以此來(lái)熔化及氣化目標(biāo)材料。這種焊接技術(shù)在微細(xì)、精密焊接工作中有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

1）聚焦裝置可以形成微米級(jí)的激光光斑，且光束的方向可以改變，激光的輸出功率也可調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)械刀具難以到達(dá)的部位以及微小部位都可以進(jìn)行加工。

2）激光擁有很高的功率密度，可以加工石英、陶瓷、金剛石、各種金屬及合金等能熔化而不產(chǎn)生化學(xué)分解的固體材料。

3）激光焊接屬于非接觸式加工，基本不存在機(jī)械力作用，焊接工作過(guò)程沒(méi)有機(jī)械力及震顫，不會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。有利于焊接對(duì)于焊接位置要求準(zhǔn)確的工件，以及微孔、窄縫和低剛度工件。

4）使用激光焊接的人作用時(shí)間很短，對(duì)于工件的熱影響區(qū)及材料性質(zhì)影響較小，且一般情況下不必使用其他材料，解決了焊點(diǎn)腐蝕的問(wèn)題。

目前，廣泛應(yīng)用于激光焊接的激光器主要有兩種，CO2激光器和YAG激光器。CO2激光器應(yīng)用的領(lǐng)域相對(duì)來(lái)說(shuō)比較廣，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)加工，提高了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，其技術(shù)比較成熟、完備。YAG激光器更適合微細(xì)和精密加工，這兩種激光器在激光焊接中的應(yīng)用比例大約為2:1。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)特性

激光焊接機(jī)是通過(guò)高能脈沖激光來(lái)完成焊接工作的，激光器的電源先對(duì)脈沖氙燈放電，將其點(diǎn)著，放出一定頻率、脈寬的光波，通過(guò)聚光腔將光波輻射到Nd3+:YAG 晶體上，Nd3+:YAG 晶體受激發(fā)光，再通過(guò)諧振腔諧振，發(fā)出脈沖激光，波長(zhǎng)為1064nm，脈沖激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束，反射和聚焦后輻射到目標(biāo)工件上，移動(dòng)工作臺(tái)，使所要焊接的物體移動(dòng)，從而完成焊接。通過(guò)調(diào)節(jié)激光電源上的頻率和脈寬參數(shù)設(shè)定，可以控制脈沖激光的能量。

為達(dá)到焊接的目的，我們?cè)贜d3+:YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器后加入了擴(kuò)束鏡、反射鏡、聚光鏡。但由于本實(shí)驗(yàn)條件有限，沒(méi)有加入保護(hù)氣系統(tǒng)。焊接頭處為焊接專用的聚焦頭。擴(kuò)束鏡為與長(zhǎng)春禹衡時(shí)代光電科技有限公司合作制作的。以下為我們?cè)O(shè)計(jì)的將本實(shí)驗(yàn)研究的Nd3+:YAG長(zhǎng)脈寬脈沖激光器改進(jìn)后激光焊接機(jī)，我們?cè)谘芯科漭敵鎏匦院?，可將其?yīng)用到實(shí)際焊接中。

擴(kuò)束鏡在激光焊接系統(tǒng)中的作用是對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束，以此來(lái)減小激光束的發(fā)散度。

光束的發(fā)散參數(shù)一般作為完美高斯激光束的特征。光波在其空間傳播過(guò)程中以一定角度展開(kāi)，稱為發(fā)散。

2.2焊接機(jī)光路調(diào)節(jié)

2.2.1調(diào)整目標(biāo)

激光光斑的調(diào)整主要是借助紅色指示光來(lái)調(diào)整全反射鏡片、部分反射鏡片的平行度以及它們和激光棒之間的垂直度，使得光斑能量最大，并且紅光與激光同軸。

2.2.2基本流程

1）利用二極管激光粗調(diào)激光諧振腔。

（1）尋找調(diào)光基準(zhǔn)。

在導(dǎo)軌上安裝好激光腔，將指示燈架放于出光孔內(nèi)側(cè)，固定好緊固螺釘，旋開(kāi)二極管激光器電源，使二極管激光器（以下稱指示燈）正常出光。調(diào)整指示燈架的上下、左右調(diào)節(jié)螺釘3和4，使指示光源與出光孔中心的高度與左右都對(duì)齊。然后將指示紅光架放在導(dǎo)軌最末端，在出光孔處放上小孔，調(diào)節(jié)1、2，使紅光落在小孔中心，再重復(fù)上述步驟。

（2）調(diào)整激光諧振腔。

在激光棒處放一個(gè)中心小孔光闌，調(diào)整激光腔，使得紅光從小孔中心入射，并且去掉中心小孔光闌后，經(jīng)激光棒反射后的紅光能與光源重合，重復(fù)以上過(guò)程，調(diào)好后緊固螺絲。

（3）調(diào)整全反鏡、半反鏡。

在導(dǎo)軌上安裝好半反鏡架，調(diào)節(jié)螺絲7、8，使半反鏡反射到指示燈架上的光斑與指示光源重合（螺絲7調(diào)節(jié)上下，螺絲8 調(diào)節(jié)左右）。再安裝好全反鏡架，在半反鏡架后放一張白紙，此時(shí)在白紙上會(huì)有兩個(gè)較強(qiáng)的紅點(diǎn)，一個(gè)是激光二極管直射的，另一個(gè)是全反鏡反射過(guò)來(lái)的，觀察白紙上的光斑，調(diào)節(jié)螺絲5、6，使紙上的兩個(gè)光斑重合（螺絲5 調(diào)節(jié)左右，螺絲6 調(diào)節(jié)上下）。

2）用相紙細(xì)調(diào)激光諧振腔。

（1）在出光末端放置一相紙，打開(kāi)激光電源開(kāi)關(guān)，按下預(yù)燃按鈕，稍等片刻，讓燈管點(diǎn)燃。啟動(dòng)激光器，使激光打在相紙上。

（2）首先反復(fù)微調(diào)螺絲5、6、7、8，使出光能量最大（即打出的光斑最大最圓），使相紙上的燒灼增大到刺眼后停止。

（3）停止出光，將一小張相紙垂直于紅光固定在紅光光路的遠(yuǎn)端，單次出光，觀察紅光是否在燒灼點(diǎn)的中心。

2.3脈寬可調(diào)脈沖激光器的激光焊接實(shí)驗(yàn)

由于平平腔輸出激光均一性好，通常焊接機(jī)都使用平平腔系統(tǒng)。我們采用平平腔結(jié)構(gòu)，加入擴(kuò)束、45度全反以及聚焦系統(tǒng)后，調(diào)整好光路，在5ms、注入電壓345V、激光重復(fù)頻率為5Hz時(shí)，先微調(diào)聚焦頭的高度，使要焊接的鋁片恰好放置在焦點(diǎn)處，通過(guò)調(diào)整放置不銹鋼片的操作臺(tái)，來(lái)回移動(dòng)不銹鋼片，可將厚度為1mm的兩塊不銹鋼片焊接在一起。但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，焊縫處并不光滑。

3 總結(jié)與展望

通過(guò)進(jìn)一步搭建長(zhǎng)脈寬脈沖激光焊接機(jī)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，得出了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本可以滿足焊接要求的結(jié)論。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量輸出能量特性，但通過(guò)實(shí)際物品的焊接測(cè)試，可定性了解本實(shí)驗(yàn)方案的可行性，輸出能量及峰值功率可達(dá)到焊接的目的。

由以上的總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，脈寬可調(diào)Nd3+:YAG激光器是介于脈沖激光器與連續(xù)激光器之間的一種新型激光器。它雖然結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，但應(yīng)用廣泛，我們研究其輸出激光特性有著重要的實(shí)用價(jià)值。

［1］劉敬海，徐榮甫.激光器件與技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［2］梁作亮，梁國(guó)忠.激光電源電路［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.

［3］藍(lán)信鉅.激光技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

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1674-6708（2015）147-0095-02