摘要

本論對燈泵2000W固體(ti) 激光器的基本結構和關(guan) 鍵技術進行了研究，並對大功率激光金屬的焊接工藝進行了探索，通過對各種工藝參數的實驗研究，克服了對鋁合金焊接過程出現的問題。在拓展激光焊接應用領域的基礎上，進行了激光——電弧複合熱源焊接，不僅(jin) 降低了激光的應用成本，而且達到了提高激光吸收率，改善焊縫組織的性能的目的。

關(guan) 鍵詞   大功率固體(ti) 激光   焊接    工藝   複合焊

1、      引言

大功率激光器可以通過多腔串接來實現，串接越多對結構設計的要求和器件加工的要求就越高。其激光功率的穩定性與(yu) 設計結構和器件配置密切相關(guan) 。本文從(cong) 激光器單元的角度探討大功率燈泵激光器的結構和關(guan) 鍵技術，並對大功率激光器金屬焊接工藝進行了實驗研究。

2、      大功率激光器的理論研究和結構設計

2.1諧振腔和聚光腔的基本設計^[1]

根據前期的實驗研究，利用現有器件和技術對於(yu) 製造雙燈單棒500W­~600W的激光器已經成熟。為(wei) 了獲得更大的功率，同時提高泵浦效率、降低熱效應、提高光束質量，我們(men) 采用6棒串接，每支晶體(ti) 由單燈泵浦。按照K.P.Driedger等人的研究結果，把諧振腔設計成棒-鏡間距等於(yu) 棒-棒間距一半的對稱平行平麵腔。

這樣做的結果是較大諧振腔的幾何長度，並且延伸了整個(ge) 激光器的長度。考慮到激光器整體(ti) 緊湊性的要求，采用一直角棱鏡將光路轉折，形成如圖1所示的光路和諧振腔結構。

 

圖1六棒轉折串接結構示意圖

進一步的發展是把兩(liang) 個(ge) 並排的單燈單棒聚光腔做成一體(ti) ，形成雙燈雙棒雙腔聚光腔。每個(ge) 腔體(ti) 由兩(liang) 個(ge) 相同的單橢圓聚光腔並排組成，每個(ge) 單橢圓聚光腔中各放置一支晶體(ti) 棒和一支泵浦燈，其結構示意如圖2。

 

1.ND:YAG晶體(ti) 棒 2.泵浦燈 3.聚光腔拋物麵 4.冷卻液 5. 聚光腔拋物麵

圖2 雙燈雙棒聚光腔結構剖麵圖

2.2大功率激光器的穩定性定性分析

除了功率和光束質量是我們(men) 所追求之外，功率的穩定性也是一個(ge) 重要的目標。隨著注入電功率的增加，激光功率的存在一定的範圍的波動性，楚天激光的2000W激光器功率的穩定性小於(yu) ±3%。

激光器的輸出功率受到以下因素的影響

#p#分頁標題#e#（1）激光晶體(ti) 的模體(ti) 積。激光功率的大小和激光晶體(ti) 中的模體(ti) 積成正比，模體(ti) 積越大激光功率也就越大。但隨著注入電功率的增加，晶體(ti) 的熱效應也隨之嚴(yan) 重，導致晶體(ti) 模體(ti) 積發生變化，影響激光功率輸出。

（2）諧振腔腔鏡的受熱形變。對稱的平行平麵腔在晶體(ti) 中具有較大的模體(ti) 積，而隨著功率的增加，鏡片的受熱形變導致腔型發生改變，從(cong) 穩定腔過渡為(wei) 非穩腔，因此影響激光功率的輸出。

（3）燈的功率的衰減。氪燈做為(wei) 耗材，其效率在大功率使用下會(hui) 隨著使用時間慢慢衰減，燈功率的下降也會(hui) 對激光功率的穩定造成影響。另外由於(yu) 普通的純淨水中含有大量的微生物和各種離子，所以在高溫的燈管壁上容易附著這些雜質，也造成了燈的效率的降低。

以上客觀因素在激光器的設計中不可避免，為(wei) 了保證激光功率的穩定輸出，就必須使激光器各個(ge) 受熱器件快速達到熱平衡狀態。我們(men) 通過對激光器聚光腔的通水管道的設計，使的通過腔體(ti) 的水流流速達到設計值，如圖3為(wei) 800W設備的功率實驗。在經過大約15到20分鍾的熱平衡時間，功率進入穩定狀態。

 

圖3激光器功率隨時間的變化

3、      鋁合金的焊接

3.1、大功率激光焊接的優(you) 點

大功率激光焊接具備在焊接工件表麵形成大的功率密度。配合光纖傳(chuan) 輸，能實現了較高的自動化程度，並具有較大的靈活性，對於(yu) 複雜結構的焊接很有優(you) 勢。激光深穿透焊接的融化區域具有很高的深寬比。這對於(yu) 焊接厚度較大的材料很有優(you) 勢。而且加工速度快，熱影響區、熱變形小^[2]。

 

圖4激光焊接示意圖

3.2鋁合金焊機的特點

鋁合金重量輕、韌性好，有一定強度，工業(ye) 生產(chan) 特別是在汽車和航天工業(ye) 一些複雜結構的應用日益廣泛。鋁合金的激光焊接可以解決(jue) 傳(chuan) 統焊接方式的熱變形問題，但同時也存在以下難點：

l  鋁合金的反射率高，導致熱源利用率很低，熱導率大，熱輸入大，線膨脹係數大。

l  焊接接頭軟化嚴(yan) 重，強度係數低--阻礙鋁合金應用的最大障礙。

l  鋁合金表麵易產(chan) 生難熔的氧化膜（Al₂O_3, 厚度約0.1um,其熔點為(wei) 2050#p#分頁標題#e#-2060℃），必須使用大功率密度的焊接工藝。

l  鋁合金焊接中容易產(chan) 生氣孔；在快速冷卻過程中容易產(chan) 生熱裂紋。

因此，鋁合金的激光焊接需要采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度快的高效焊接方法。采用ND:YAG固體(ti) 激光器產(chan) 生的1.06μm的激光，可以很好的滿足鋁合金焊接的需要。

3.3 焊接材料的準備

我們(men) 選取的是典型的鋁合金板材，牌號5052。鋁合金激光焊的難點之一就是鋁合金對激光的高反射，所以進行適當的表麵預處理，改善對光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護，氣流量為(wei) 10L/min。試驗采用了幹燥壓縮空氣做氣簾氣體(ti) 。3.4 試驗參數與(yu) 結果分析

實驗從(cong) 焦點位置參數（如離焦量）、激光功率、激光焊接速度、和等離子體(ti) 的控製等影響激光焊接質量的幾個(ge) 主要因素來研究鋁合金的激光焊接工藝。

（1）焦點位置參數

對一定厚度的鋁合金材料進行激光焊接時，在一定的激光功率和焊接速度的情況下，焦點位置（包括激光入射角）的選擇決(jue) 定了焊接的最大熔深。

圖3.2示意了進行激光焊接時其焦點位置參數的選擇，主要包括有離焦量h（即焦點離工件表麵的距離、豎直焦點位置或焦點高度）、偏移量α（即水平焦點位置）和入射角b（即激光束傾(qing) 斜的角度）三個(ge) 參數。

 

b——激光束傾(qing) 斜的角度         a——激光束的偏移量

h——焦點離工件表麵的距離     s——工件的厚度

圖3.2激光焦點位置示意圖

① 離焦量

在激光加工(laser oem)中，采用負離焦可以增加熔深。實驗證明，當激光焦點在工件表麵下的某一距離處可得到最大的焊接穿透深度。隨著使用的激光功率不同，豎直焦點位置移動的範圍在被焊材料表麵下方約為(wei) 被焊材料厚度的20％～30％。一般取焦點距基體(ti) 表麵的距離約為(wei) 板厚的1/3，焦點應負離焦0.4～0.6mm為(wei) 好。

② 入射角

激光焊接鋁合金材料時，由於(yu) 鋁合金對YAG激光的反射率較高（在未產(chan) 生小孔時可達85％），所以，常采用激光適當偏轉一定角度，以避免反射的激光能量過強而損壞光纖或聚焦鏡，實驗中發現，激光的入射角一般選在4°～5°左右可獲得最佳焊縫效果。

（2）激光功率

激光功率是影響焊接質量的主要參數，尤其是決(jue) 定焊縫穿透深度的主要因素。

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圖3.3 激光功率對焊縫熔深的影響

如圖3.3所示，根據焊接速度的不同，分別在1.2、1.5、1.8、2.0m/min四種不同焊接速度下研究激光功率對焊縫熔深的影響。

（3）焊接速度　

激光焊接速度也是影響焊接質量的重要參數。焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區域的熱輸入，對焊縫的形狀和尺寸有著較大的影響。

 

圖3.4  焊接速度與(yu) 焊縫熔深的影響

如圖3.4所示，根據激光功率的不同，分別在1.0、1.5、1.8、2.0KW四種不同激光功率下研究焊接速度對焊縫熔深的影響。

對於(yu) 一定厚度的鋁合金板材，有一最佳匹配的焊接功率和焊接速度。在一定的速度、一定的焊接功率情況下，其焊接探度和寬度隨掃描速度的增加而減少。焊縫熱影響區也會(hui) 隨掃描速度的減少而變大。2000W的激光功率，能焊接1.8.～2.0mm厚的鋁合金材料。在這種條件下，其焊接連度約為(wei) 1.8m/min。表3.1、3.2、3.3對比了四種焊接樣品的實際焊接效果。#p#分頁標題#e#

表3.1 試樣的實驗參數

試樣編號	平均功率	峰值功率	電源頻率	占空比	焊接速度
1	53％	140％	280Hz	37.9％	1m/min
2	54％	134％	350Hz#p#分頁標題#e#	40.3％	1m/min
3	77％	174％	300Hz	44.3％	2m/min
4	80％	185％	260Hz	45.2％	2m/min#p#分頁標題#e#

表3.2 試樣宏觀形貌及描述

試樣編號	宏觀照片	描述
1		無氣孔，焊縫正麵凹陷
2		焊縫右側(ce) 有一個(ge) 氣孔
3		無氣孔，焊縫正麵凹陷#p#分頁標題#e#
4		無氣孔，焊縫成型良好

表3.3 試樣抗拉強度及斷裂強度

試樣編號	抗拉強度（Mpa）	斷裂強度（Mpa）	最大拉力（N）	伸長率（%）
1	42.98#p#分頁標題#e#	17.82	1552	2.29
2	36.69	5.22	1325	2.57
3	31.49	9.83	1136	3.23
4	104.51	26.61#p#分頁標題#e#	3771	11.69

3.5　焊接狀態分析及其控製

鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔問題。激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔；低熔點、高蒸氣壓合金元素蒸發導致氣孔；激光束引起熔池金屬波動匙孔不穩定，熔池金屬紊流導致氣孔生成。

材料表麵狀態、保護氣體(ti) 種類、流量及保護方法、焊接參數和焊縫形狀都影響氣孔的產(chan) 生，選擇合適的表麵處理措施，加強保護和采用高功率、高速度、大離焦量（負值）焊接時可以使氣孔的產(chan) 生降低到最少。

4、      大功率連續激光在管材焊接上的應用

用不鏽鋼板帶生產(chan) 不鏽鋼管時，半圓軋輥將不鏽鋼板帶軋成管子，需要采用連續激光對接口進行焊接。此項焊接鋼帶較長，一根管子焊下來不能停頓，所以要求大功率的激光器長時間穩定工作，楚天激光生產(chan) 的1GY-800W YAG連續激光設備其到達工件表麵功率800W，對於(yu) 這種空管的焊接非常合適。

     
圖4.1空管焊接正麵和反麵效果

對於(yu) 焊接1.2mm厚鋼帶，熔深1.2mm，速度可以達到2m/min，采用氮氣保護，焊接表麵光滑美觀。經過氣密性，拉力與(yu) 壓力測試，效果很好。

5、      激光複合焊接

激光焊接的優(you) 勢已經眾(zhong) 所共知，但是為(wei) 了降低激光焊接的成本，以激光為(wei) 核心的複合焊就引起了人們(men) 的興(xing) 趣，應用比較多的就是激光電弧複合焊技術。目前激光與(yu) 電弧複合焊接主要有兩(liang) 種方式，一是沿焊接的行程方向，電弧與(yu) 激光前後排列，中間有一定間距，主要利用電弧對焊縫金屬進行預熱，從(cong) 而提高材料對激光的吸收率；另一種方式是激光與(yu) 電弧共同作用於(yu) 熔池，即複合熱源^{[3]#p#分頁標題#e#}。

我們(men) 采用激光和電弧共同作用於(yu) 熔池的方式對5000係列鋁合金和黃銅進行了拚焊。材料為(wei) 5083鋁合金和黃銅，純氦氣保護。

表5.1激光焊與(yu) 複合焊對比

由表5.1可以看出，複合焊接的功率注入更小，焊接效率更高，如果不是單純追求焊縫效果的話，複合焊可以大大節約焊接成本。且對於(yu) 黃銅使用純激光焊接比較困難，采用#p#分頁標題#e#400W激光和TIG（電流20A）複合焊接，則可以達到比較理想的效果。

激光與(yu) 電弧相互作用形成了一種增強適應性的焊接方法，它避免了單一焊接方法的不足，具有提高速度、增大熔深、穩定焊接過程、降低裝配條件、實現高反射材料焊接的眾(zhong) 多優(you) 點^【4】。

6、      結論

大功率固體(ti) 連續激光器功率的穩定性對於(yu) 生產(chan) 加工的效率非常重要，激光器熱平衡狀態的實現和穩定是激光功率穩定的關(guan) 鍵。我們(men) 通過結構的設計實現了大功率激光器功率的穩定輸出。鋁合金的激光焊接有很多的難點，通過對激光器參數的合理選擇，可以減少焊接中的氣孔。在此基礎上，以激光和TIG相結合，實驗了激光複合焊的特殊優(you) 點。

參考文獻（略）