Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器應用于激光焊接機中的初步研究

夏　騰，杜　丹

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

Nd3+:YAG長脈寬脈沖激光器應用于激光焊接機中的初步研究

夏騰，杜丹

長春中國光學科學技術館，吉林長春 130117

長脈寬脈沖激光器可廣泛應用于工業激光加工、激光醫療、激光科研應用等。其中，應用長脈寬激光器進行工業加工是應用最為廣泛的。激光焊接屬于新型焊接方式，是激光材料加工技術的重要組成部分，其主要應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，表面熱量經過熱傳導過程向內部擴散，控制激光脈沖峰值功率、重復頻率以及能量、寬度等參數，熔化工件，形成特定的熔池，工作過程屬于熱傳導型。本文主要研究擴束聚焦系統的特性，焊接機的光路調節，脈寬可調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材料。這種焊接技術在微細、精密焊接工作中有其獨特的優越性。

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節，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生化學分解的固體材料。

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，不會對定位精度產生影響。有利于焊接對于焊接位置要求準確的工件，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及材料性質影響較小，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激光器應用的領域相對來說比較廣，已經廣泛應用于工業生產加工，提高了國內外產品的質量和精度，其技術比較成熟、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用比例大約為2:1。

2 實驗分析

2.1擴束聚焦系統特性

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 晶體受激發光，再通過諧振腔諧振，發出脈沖激光，波長為1064nm，脈沖激光經過擴束，反射和聚焦后輻射到目標工件上，移動工作臺，使所要焊接的物體移動，從而完成焊接。通過調節激光電源上的頻率和脈寬參數設定，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。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，可將其應用到實際焊接中。

擴束鏡在激光焊接系統中的作用是對激光束進行擴束，以此來減小激光束的發散度。

光束的發散參數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，稱為發散。

2.2焊接機光路調節

2.2.1調整目標

激光光斑的調整主要是借助紅色指示光來調整全反射鏡片、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激光諧振腔。

（1）尋找調光基準。

在導軌上安裝好激光腔，將指示燈架放于出光孔內側，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。調整指示燈架的上下、左右調節螺釘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軌最末端，在出光孔處放上小孔，調節1、2，使紅光落在小孔中心，再重復上述步驟。

（2）調整激光諧振腔。

在激光棒處放一個中心小孔光闌，調整激光腔，使得紅光從小孔中心入射，并且去掉中心小孔光闌后，經激光棒反射后的紅光能與光源重合，重復以上過程，調好后緊固螺絲。

（3）調整全反鏡、半反鏡。

在導軌上安裝好半反鏡架，調節螺絲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調節上下，螺絲8 調節左右）。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，調節螺絲5、6，使紙上的兩個光斑重合（螺絲5 調節左右，螺絲6 調節上下）。

2）用相紙細調激光諧振腔。

（1）在出光末端放置一相紙，打開激光電源開關，按下預燃按鈕，稍等片刻，讓燈管點燃。啟動激光器，使激光打在相紙上。

（2）首先反復微調螺絲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。我們采用平平腔結構，加入擴束、45度全反以及聚焦系統后，調整好光路，在5ms、注入電壓345V、激光重復頻率為5Hz時，先微調聚焦頭的高度，使要焊接的鋁片恰好放置在焦點處，通過調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，得出了該實驗系統基本可以滿足焊接要求的結論。由于實驗條件有限，無法準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。

由以上的總結不難發現，脈寬可調Nd3+:YAG激光器是介于脈沖激光器與連續激光器之間的一種新型激光器。它雖然結構不是很復雜，但應用廣泛，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［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［2］梁作亮，梁國忠.激光電源電路［M］.北京：兵器工業出版社，1995.

［3］藍信鉅.激光技術［M］.北京：科學出版社，2001.

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