摘要

本論對(duì)燈泵2000W固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)大功率激光金屬的焊接工藝進(jìn)行了探索，通過對(duì)各種工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，克服了對(duì)鋁合金焊接過程出現(xiàn)的問題。在拓展激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了激光——電弧復(fù)合熱源焊接，不僅降低了激光的應(yīng)用成本，而且達(dá)到了提高激光吸收率，改善焊縫組織的性能的目的。

關(guān)鍵詞   大功率固體激光   焊接    工藝   復(fù)合焊

1、      引言

大功率激光器可以通過多腔串接來實(shí)現(xiàn)，串接越多對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求和器件加工的要求就越高。其激光功率的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和器件配置密切相關(guān)。本文從激光器單元的角度探討大功率燈泵激光器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)大功率激光器金屬焊接工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2、      大功率激光器的理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1諧振腔和聚光腔的基本設(shè)計(jì)^[1]

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究，利用現(xiàn)有器件和技術(shù)對(duì)于制造雙燈單棒500W­~600W的激光器已經(jīng)成熟。為了獲得更大的功率，同時(shí)提高泵浦效率、降低熱效應(yīng)、提高光束質(zhì)量，我們采用6棒串接，每支晶體由單燈泵浦。按照K.P.Driedger等人的研究結(jié)果，把諧振腔設(shè)計(jì)成棒-鏡間距等于棒-棒間距一半的對(duì)稱平行平面腔。

這樣做的結(jié)果是較大諧振腔的幾何長(zhǎng)度，并且延伸了整個(gè)激光器的長(zhǎng)度?？紤]到激光器整體緊湊性的要求，采用一直角棱鏡將光路轉(zhuǎn)折，形成如圖1所示的光路和諧振腔結(jié)構(gòu)。

 

圖1六棒轉(zhuǎn)折串接結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)一步的發(fā)展是把兩個(gè)并排的單燈單棒聚光腔做成一體，形成雙燈雙棒雙腔聚光腔。每個(gè)腔體由兩個(gè)相同的單橢圓聚光腔并排組成，每個(gè)單橢圓聚光腔中各放置一支晶體棒和一支泵浦燈，其結(jié)構(gòu)示意如圖2。

 

1.ND:YAG晶體棒 2.泵浦燈 3.聚光腔拋物面 4.冷卻液 5. 聚光腔拋物面

圖2 雙燈雙棒聚光腔結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2大功率激光器的穩(wěn)定性定性分析

除了功率和光束質(zhì)量是我們所追求之外，功率的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的目標(biāo)。隨著注入電功率的增加，激光功率的存在一定的范圍的波動(dòng)性，楚天激光的2000W激光器功率的穩(wěn)定性小于±3%。

激光器的輸出功率受到以下因素的影響

#p#分頁標(biāo)題#e#（1）激光晶體的模體積。激光功率的大小和激光晶體中的模體積成正比，模體積越大激光功率也就越大。但隨著注入電功率的增加，晶體的熱效應(yīng)也隨之嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體模體積發(fā)生變化，影響激光功率輸出。

（2）諧振腔腔鏡的受熱形變。對(duì)稱的平行平面腔在晶體中具有較大的模體積，而隨著功率的增加，鏡片的受熱形變導(dǎo)致腔型發(fā)生改變，從穩(wěn)定腔過渡為非穩(wěn)腔，因此影響激光功率的輸出。

（3）燈的功率的衰減。氪燈做為耗材，其效率在大功率使用下會(huì)隨著使用時(shí)間慢慢衰減，燈功率的下降也會(huì)對(duì)激光功率的穩(wěn)定造成影響。另外由于普通的純凈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(zhì)，也造成了燈的效率的降低。

以上客觀因素在激光器的設(shè)計(jì)中不可避免，為了保證激光功率的穩(wěn)定輸出，就必須使激光器各個(gè)受熱器件快速達(dá)到熱平衡狀態(tài)。我們通過對(duì)激光器聚光腔的通水管道的設(shè)計(jì)，使的通過腔體的水流流速達(dá)到設(shè)計(jì)值，如圖3為800W設(shè)備的功率實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)過大約15到20分鐘的熱平衡時(shí)間，功率進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

 

圖3激光器功率隨時(shí)間的變化

3、      鋁合金的焊接

3.1、大功率激光焊接的優(yōu)點(diǎn)

大功率激光焊接具備在焊接工件表面形成大的功率密度。配合光纖傳輸，能實(shí)現(xiàn)了較高的自動(dòng)化程度，并具有較大的靈活性，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接很有優(yōu)勢(shì)。激光深穿透焊接的融化區(qū)域具有很高的深寬比。這對(duì)于焊接厚度較大的材料很有優(yōu)勢(shì)。而且加工速度快，熱影響區(qū)、熱變形小^[2]。

 

圖4激光焊接示意圖

3.2鋁合金焊機(jī)的特點(diǎn)

鋁合金重量輕、韌性好，有一定強(qiáng)度，工業(yè)生產(chǎn)特別是在汽車和航天工業(yè)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛。鋁合金的激光焊接可以解決傳統(tǒng)焊接方式的熱變形問題，但同時(shí)也存在以下難點(diǎn)：

l  鋁合金的反射率高，導(dǎo)致熱源利用率很低，熱導(dǎo)率大，熱輸入大，線膨脹系數(shù)大。

l  焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低--阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙。

l  鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜（Al₂O_3, 厚度約0.1um,其熔點(diǎn)為2050#p#分頁標(biāo)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(chǎn)生氣孔；在快速冷卻過程中容易產(chǎn)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固體激光器產(chǎn)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(zhǔn)備

我們選取的是典型的鋁合金板材，牌號(hào)5052。鋁合金激光焊的難點(diǎn)之一就是鋁合金對(duì)激光的高反射，所以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理，改善對(duì)光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護(hù)，氣流量為10L/min。試驗(yàn)采用了干燥壓縮空氣做氣簾氣體。3.4 試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)從焦點(diǎn)位置參數(shù)（如離焦量）、激光功率、激光焊接速度、和等離子體的控制等影響激光焊接質(zhì)量的幾個(gè)主要因素來研究鋁合金的激光焊接工藝。

（1）焦點(diǎn)位置參數(shù)

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

圖3.2示意了進(jìn)行激光焊接時(shí)其焦點(diǎn)位置參數(shù)的選擇，主要包括有離焦量h（即焦點(diǎn)離工件表面的距離、豎直焦點(diǎn)位置或焦點(diǎn)高度）、偏移量α（即水平焦點(diǎn)位置）和入射角b（即激光束傾斜的角度）三個(gè)參數(shù)。

 

b——激光束傾斜的角度         a——激光束的偏移量

h——焦點(diǎn)離工件表面的距離     s——工件的厚度

圖3.2激光焦點(diǎn)位置示意圖

① 離焦量

在激光加工(laser oem)中，采用負(fù)離焦可以增加熔深。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)激光焦點(diǎn)在工件表面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(diǎn)位置移動(dòng)的范圍在被焊材料表面下方約為被焊材料厚度的20％～30％。一般取焦點(diǎn)距基體表面的距離約為板厚的1/3，焦點(diǎn)應(yīng)負(fù)離焦0.4～0.6mm為好。

② 入射角

激光焊接鋁合金材料時(shí)，由于鋁合金對(duì)YAG激光的反射率較高（在未產(chǎn)生小孔時(shí)可達(dá)85％），所以，常采用激光適當(dāng)偏轉(zhuǎn)一定角度，以避免反射的激光能量過強(qiáng)而損壞光纖或聚焦鏡，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量的主要參數(shù)，尤其是決定焊縫穿透深度的主要因素。

#p#分頁標(biāo)題#e#
 

圖3.3 激光功率對(duì)焊縫熔深的影響

如圖3.3所示，根據(jù)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(duì)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(zhì)量的重要參數(shù)。焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域的熱輸入，對(duì)焊縫的形狀和尺寸有著較大的影響。

 

圖3.4  焊接速度與焊縫熔深的影響

如圖3.4所示，根據(jù)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(duì)焊縫熔深的影響。

對(duì)于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(qū)也會(huì)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1.8m/min。表3.1、3.2、3.3對(duì)比了四種焊接樣品的實(shí)際焊接效果。#p#分頁標(biāo)題#e#

表3.1 試樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3.2 試樣宏觀形貌及描述

試樣編號(hào)	宏觀照片	描述
1		無氣孔，焊縫正面凹陷
2		焊縫右側(cè)有一個(gè)氣孔
3		無氣孔，焊縫正面凹陷#p#分頁標(biāo)題#e#
4		無氣孔，焊縫成型良好

表3.3 試樣抗拉強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度

3.5　焊接狀態(tài)分析及其控制

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(diǎn)、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔；激光束引起熔池金屬波動(dòng)匙孔不穩(wěn)定，熔池金屬紊流導(dǎo)致氣孔生成。

材料表面狀態(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)生，選擇合適的表面處理措施，加強(qiáng)保護(hù)和采用高功率、高速度、大離焦量（負(fù)值）焊接時(shí)可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。

4、      大功率連續(xù)激光在管材焊接上的應(yīng)用

用不銹鋼板帶生產(chǎn)不銹鋼管時(shí)，半圓軋輥將不銹鋼板帶軋成管子，需要采用連續(xù)激光對(duì)接口進(jìn)行焊接。此項(xiàng)焊接鋼帶較長(zhǎng)，一根管子焊下來不能停頓，所以要求大功率的激光器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，楚天激光生產(chǎn)的1GY-800W YAG連續(xù)激光設(shè)備其到達(dá)工件表面功率800W，對(duì)于這種空管的焊接非常合適。

     
圖4.1空管焊接正面和反面效果

對(duì)于焊接1.2mm厚鋼帶，熔深1.2mm，速度可以達(dá)到2m/min，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，焊接表面光滑美觀。經(jīng)過氣密性，拉力與壓力測(cè)試，效果很好。

5、      激光復(fù)合焊接

激光焊接的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)眾所共知，但是為了降低激光焊接的成本，以激光為核心的復(fù)合焊就引起了人們的興趣，應(yīng)用比較多的就是激光電弧復(fù)合焊技術(shù)。目前激光與電弧復(fù)合焊接主要有兩種方式，一是沿焊接的行程方向，電弧與激光前后排列，中間有一定間距，主要利用電弧對(duì)焊縫金屬進(jìn)行預(yù)熱，從而提高材料對(duì)激光的吸收率；另一種方式是激光與電弧共同作用于熔池，即復(fù)合熱源^{[3]#p#分頁標(biāo)題#e#}。

我們采用激光和電弧共同作用于熔池的方式對(duì)5000系列鋁合金和黃銅進(jìn)行了拼焊。材料為5083鋁合金和黃銅，純氦氣保護(hù)。

表5.1激光焊與復(fù)合焊對(duì)比

由表5.1可以看出，復(fù)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，復(fù)合焊可以大大節(jié)約焊接成本。且對(duì)于黃銅使用純激光焊接比較困難，采用#p#分頁標(biāo)題#e#400W激光和TIG（電流20A）復(fù)合焊接，則可以達(dá)到比較理想的效果。

激光與電弧相互作用形成了一種增強(qiáng)適應(yīng)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(wěn)定焊接過程、降低裝配條件、實(shí)現(xiàn)高反射材料焊接的眾多優(yōu)點(diǎn)^【4】。

6、      結(jié)論

大功率固體連續(xù)激光器功率的穩(wěn)定性對(duì)于生產(chǎn)加工的效率非常重要，激光器熱平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定是激光功率穩(wěn)定的關(guān)鍵。我們通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大功率激光器功率的穩(wěn)定輸出。鋁合金的激光焊接有很多的難點(diǎn)，通過對(duì)激光器參數(shù)的合理選擇，可以減少焊接中的氣孔。在此基礎(chǔ)上，以激光和TIG相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)了激光復(fù)合焊的特殊優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)（略）