Nd3+:YAG长脉宽脉冲激光器应用于激光焊接机中的初步研究

2015-11-12夏腾，杜丹

科技传播 2015年18期

关键词：焊接机红光螺丝

夏　腾，杜　丹

长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117

Nd3+:YAG长脉宽脉冲激光器应用于激光焊接机中的初步研究

夏腾，杜丹

长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117

长脉宽脉冲激光器可广泛应用于工业激光加工、激光医疗、激光科研应用等。其中，应用长脉宽激光器进行工业加工是应用最为广泛的。激光焊接属于新型焊接方式，是激光材料加工技术的重要组成部分，其主要应用于薄壁材料和精密零件的焊接。通过激光辐射使工件表面升温，表面热量经过热传导过程向内部扩散，控制激光脉冲峰值功率、重复频率以及能量、宽度等参数，熔化工件，形成特定的熔池，工作过程属于热传导型。本文主要研究扩束聚焦系统的特性，焊接机的光路调节，脉宽可调脉冲激光器的激光焊接实验等。

长脉宽脉冲；激光焊接机；激光器

1 绪论

采用激光焊接，主要应用激光的方向性好及输出功率高的特性，通过聚焦装置可以使激光光束形成非常微小的光斑，同时获得非常高的能量密度，以此来熔化及气化目标材料。这种焊接技术在微细、精密焊接工作中有其独特的优越性。

1）聚焦装置可以形成微米级的激光光斑，且光束的方向可以改变，激光的输出功率也可调节，对机械刀具难以到达的部位以及微小部位都可以进行加工。

2）激光拥有很高的功率密度，可以加工石英、陶瓷、金刚石、各种金属及合金等能熔化而不产生化学分解的固体材料。

3）激光焊接属于非接触式加工，基本不存在机械力作用，焊接工作过程没有机械力及震颤，不会对定位精度产生影响。有利于焊接对于焊接位置要求准确的工件，以及微孔、窄缝和低刚度工件。

4）使用激光焊接的人作用时间很短，对于工件的热影响区及材料性质影响较小，且一般情况下不必使用其他材料，解决了焊点腐蚀的问题。

目前，广泛应用于激光焊接的激光器主要有两种，CO2激光器和YAG激光器。CO2激光器应用的领域相对来说比较广，已经广泛应用于工业生产加工，提高了国内外产品的质量和精度，其技术比较成熟、完备。YAG激光器更适合微细和精密加工，这两种激光器在激光焊接中的应用比例大约为2:1。

2 实验分析

2.1扩束聚焦系统特性

激光焊接机是通过高能脉冲激光来完成焊接工作的，激光器的电源先对脉冲氙灯放电，将其点着，放出一定频率、脉宽的光波，通过聚光腔将光波辐射到Nd3+:YAG 晶体上，Nd3+:YAG 晶体受激发光，再通过谐振腔谐振，发出脉冲激光，波长为1064nm，脉冲激光经过扩束，反射和聚焦后辐射到目标工件上，移动工作台，使所要焊接的物体移动，从而完成焊接。通过调节激光电源上的频率和脉宽参数设定，可以控制脉冲激光的能量。

为达到焊接的目的，我们在Nd3+:YAG长脉宽脉冲激光器后加入了扩束镜、反射镜、聚光镜。但由于本实验条件有限，没有加入保护气系统。焊接头处为焊接专用的聚焦头。扩束镜为与长春禹衡时代光电科技有限公司合作制作的。以下为我们设计的将本实验研究的Nd3+:YAG长脉宽脉冲激光器改进后激光焊接机，我们在研究其输出特性后，可将其应用到实际焊接中。

扩束镜在激光焊接系统中的作用是对激光束进行扩束，以此来减小激光束的发散度。

光束的发散参数一般作为完美高斯激光束的特征。光波在其空间传播过程中以一定角度展开，称为发散。

2.2焊接机光路调节

2.2.1调整目标

激光光斑的调整主要是借助红色指示光来调整全反射镜片、部分反射镜片的平行度以及它们和激光棒之间的垂直度，使得光斑能量最大，并且红光与激光同轴。

2.2.2基本流程

1）利用二极管激光粗调激光谐振腔。

（1）寻找调光基准。

在导轨上安装好激光腔，将指示灯架放于出光孔内侧，固定好紧固螺钉，旋开二极管激光器电源，使二极管激光器（以下称指示灯）正常出光。调整指示灯架的上下、左右调节螺钉3和4，使指示光源与出光孔中心的高度与左右都对齐。然后将指示红光架放在导轨最末端，在出光孔处放上小孔，调节1、2，使红光落在小孔中心，再重复上述步骤。

（2）调整激光谐振腔。

在激光棒处放一个中心小孔光阑，调整激光腔，使得红光从小孔中心入射，并且去掉中心小孔光阑后，经激光棒反射后的红光能与光源重合，重复以上过程，调好后紧固螺丝。

（3）调整全反镜、半反镜。

在导轨上安装好半反镜架，调节螺丝7、8，使半反镜反射到指示灯架上的光斑与指示光源重合（螺丝7调节上下，螺丝8 调节左右）。再安装好全反镜架，在半反镜架后放一张白纸，此时在白纸上会有两个较强的红点，一个是激光二极管直射的，另一个是全反镜反射过来的，观察白纸上的光斑，调节螺丝5、6，使纸上的两个光斑重合（螺丝5 调节左右，螺丝6 调节上下）。

2）用相纸细调激光谐振腔。

（1）在出光末端放置一相纸，打开激光电源开关，按下预燃按钮，稍等片刻，让灯管点燃。启动激光器，使激光打在相纸上。

（2）首先反复微调螺丝5、6、7、8，使出光能量最大（即打出的光斑最大最圆），使相纸上的烧灼增大到刺眼后停止。

（3）停止出光，将一小张相纸垂直于红光固定在红光光路的远端，单次出光，观察红光是否在烧灼点的中心。

2.3脉宽可调脉冲激光器的激光焊接实验

由于平平腔输出激光均一性好，通常焊接机都使用平平腔系统。我们采用平平腔结构，加入扩束、45度全反以及聚焦系统后，调整好光路，在5ms、注入电压345V、激光重复频率为5Hz时，先微调聚焦头的高度，使要焊接的铝片恰好放置在焦点处，通过调整放置不锈钢片的操作台，来回移动不锈钢片，可将厚度为1mm的两块不锈钢片焊接在一起。但由于实验条件有限，焊缝处并不光滑。