Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器應(yīng)用于激光焊接機中的初步研究

夏　騰，杜　丹

長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長春 130117

Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器應(yīng)用于激光焊接機中的初步研究

夏騰，杜丹

長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，吉林長春 130117

長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)用長脈寬激光器進行工業(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。通過激光輻射使工件表面升溫，表面熱量經(jīng)過熱傳導(dǎo)過程向內(nèi)部擴散，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，工作過程屬于熱傳導(dǎo)型。本文主要研究擴束聚焦系統(tǒng)的特性，焊接機的光路調(diào)節(jié)，脈寬可調(diào)脈沖激光器的激光焊接實驗等。

長脈寬脈沖；激光焊接機；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，通過聚焦裝置可以使激光光束形成非常微小的光斑，同時獲得非常高的能量密度，以此來熔化及氣化目標(biāo)材料。這種焊接技術(shù)在微細、精密焊接工作中有其獨特的優(yōu)越性。

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

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，基本不存在機械力作用，焊接工作過程沒有機械力及震顫，不會對定位精度產(chǎn)生影響。有利于焊接對于焊接位置要求準(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間很短，對于工件的熱影響區(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，解決了焊點腐蝕的問題。

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)域相對來說比較廣，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)加工，提高了國內(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 實驗分析

2.1擴束聚焦系統(tǒng)特性

激光焊接機是通過高能脈沖激光來完成焊接工作的，激光器的電源先對脈沖氙燈放電，將其點著，放出一定頻率、脈寬的光波，通過聚光腔將光波輻射到Nd3+:YAG 晶體上，Nd3+:YAG 晶體受激發(fā)光，再通過諧振腔諧振，發(fā)出脈沖激光，波長為1064nm，脈沖激光經(jīng)過擴束，反射和聚焦后輻射到目標(biāo)工件上，移動工作臺，使所要焊接的物體移動，從而完成焊接。通過調(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。

為達到焊接的目的，我們在Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器后加入了擴束鏡、反射鏡、聚光鏡。但由于本實驗條件有限，沒有加入保護氣系統(tǒng)。焊接頭處為焊接專用的聚焦頭。擴束鏡為與長春禹衡時代光電科技有限公司合作制作的。以下為我們設(shè)計的將本實驗研究的Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器改進后激光焊接機，我們在研究其輸出特性后，可將其應(yīng)用到實際焊接中。

擴束鏡在激光焊接系統(tǒng)中的作用是對激光束進行擴束，以此來減小激光束的發(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程中以一定角度展開，稱為發(fā)散。

2.2焊接機光路調(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，此時在白紙上會有兩個較強的紅點，一個是激光二極管直射的，另一個是全反鏡反射過來的，觀察白紙上的光斑，調(diào)節(jié)螺絲5、6，使紙上的兩個光斑重合（螺絲5 調(diào)節(jié)左右，螺絲6 調(diào)節(jié)上下）。

2）用相紙細調(diào)激光諧振腔。

（1）在出光末端放置一相紙，打開激光電源開關(guān)，按下預(yù)燃按鈕，稍等片刻，讓燈管點燃。啟動激光器，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端，單次出光，觀察紅光是否在燒灼點的中心。

2.3脈寬可調(diào)脈沖激光器的激光焊接實驗

由于平平腔輸出激光均一性好，通常焊接機都使用平平腔系統(tǒng)。我們采用平平腔結(jié)構(gòu)，加入擴束、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，先微調(diào)聚焦頭的高度，使要焊接的鋁片恰好放置在焦點處，通過調(diào)整放置不銹鋼片的操作臺，來回移動不銹鋼片，可將厚度為1mm的兩塊不銹鋼片焊接在一起。但由于實驗條件有限，焊縫處并不光滑。

3 總結(jié)與展望

通過進一步搭建長脈寬脈沖激光焊接機進行焊接實驗，得出了該實驗系統(tǒng)基本可以滿足焊接要求的結(jié)論。由于實驗條件有限，無法準(zhǔn)確測量輸出能量特性，但通過實際物品的焊接測試，可定性了解本實驗方案的可行性，輸出能量及峰值功率可達到焊接的目的。

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用價值。

［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，梁國忠.激光電源電路［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1995.

［3］藍信鉅.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