摘要
本論對燈泵2000W固體激光器的基本結構和關鍵技術進行了研究，并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——電弧復合熱源焊接，不僅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。
關鍵詞 大功率固體激光 焊接 工藝 復合焊
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設計結構和器件配置密切相關。本文從激光器單元的角度探討大功率燈泵激光器的結構和關鍵技術，并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于制造雙燈單棒500W~600W的激光器已經成熟。為了獲得更大的功率，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等人的研究結果，把諧振腔設計成棒-鏡間距等于棒-棒間距一半的對稱平行平面腔。
這樣做的結果是較大諧振腔的幾何長度，并且延伸了整個激光器的長度?？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個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。每個腔體由兩個相同的單橢圓聚光腔并排組成，每個單橢圓聚光腔中各放置一支晶體棒和一支泵浦燈，其結構示意如圖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 雙燈雙棒聚光腔結構剖面圖
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所追求之外，功率的穩定性也是一個重要的目標。隨著注入電功率的增加，激光功率的存在一定的范圍的波動性，楚天激光的2000W激光器功率的穩定性小于±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，晶體的熱效應也隨之嚴重，導致晶體模體積發生變化，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，鏡片的受熱形變導致腔型發生改變，從穩定腔過渡為非穩腔，因此影響激光功率的輸出。
（3）燈的功率的衰減。氪燈做為耗材，其效率在大功率使用下會隨著使用時間慢慢衰減，燈功率的下降也會對激光功率的穩定造成影響。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，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，為了保證激光功率的穩定輸出，就必須使激光器各個受熱器件快速達到熱平衡狀態。我們通過對激光器聚光腔的通水管道的設計，使的通過腔體的水流流速達到設計值，如圖3為800W設備的功率實驗。在經過大約15到20分鐘的熱平衡時間，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點
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，能實現了較高的自動化程度，并具有較大的靈活性，對于復雜結構的焊接很有優勢。激光深穿透焊接的融化區域具有很高的深寬比。這對于焊接厚度較大的材料很有優勢。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，工業生產特別是在汽車和航天工業一些復雜結構的應用日益廣泛。鋁合金的激光焊接可以解決傳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，線膨脹系數大。
l 焊接接頭軟化嚴重，強度系數低--阻礙鋁合金應用的最大障礙。
l 鋁合金表面易產生難熔的氧化膜（Al2O3, 厚度約0.1um,其熔點為2050#p#分頁標題#e#
l 鋁合金焊接中容易產生氣孔；在快速冷卻過程中容易產生熱裂紋。
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，所以進行適當的表面預處理，改善對光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護，氣流量為
實驗從焦點位置參數（如離焦量）、激光功率、激光焊接速度、和等離子體的控制等影響激光焊接質量的幾個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（即焦點離工件表面的距離、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（即激光束傾斜的角度）三個參數。
|
b |
b——激光束傾斜的角度 a——激光束的偏移量
h——焦點離工件表面的距離 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，豎直焦點位置移動的范圍在被焊材料表面下方約為被焊材料厚度的20％～30％。一般取焦點距基體表面的距離約為板厚的1/3，焦點應負離焦0.4～0
② 入射角
激光焊接鋁合金材料時，由于鋁合金對YAG激光的反射率較高（在未產生小孔時可達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，尤其是決定焊縫穿透深度的主要因素。
#p#分頁標題#e#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
（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。焊縫熱影響區也會隨掃描速度的減少而變大。2000W的激光功率，能焊接1.8.～
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％ |
|
|
2 |
54％ |
134％ |
350Hz |
40.3％ |
|
|
3 |
77％ |
174％ |
300Hz |
44.3％ |
|
|
4 |
80％ |
185％ |
260Hz |
45.2％ |
|
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，焊縫正面凹陷 |
|
2 |
 |
焊縫右側有一個氣孔 |
|
3 |
 |
無氣孔，焊縫正面凹陷 |
|
4 |
 |
無氣孔，焊縫成型良好 |
表3.3 試樣抗拉強度及斷裂強度
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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 |
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 |
3771 |
11.69 |
3.5 焊接狀態分析及其控制
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、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。
材料表面狀態、保護氣體種類、流量及保護方法、焊接參數和焊縫形狀都影響氣孔的產生，選擇合適的表面處理措施，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
用不銹鋼板帶生產不銹鋼管時，半圓軋輥將不銹鋼板帶軋成管子，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，楚天激光生產的1GY-800W YAG連續激光設備其到達工件表面功率800W，對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
對于焊接1.2mm厚鋼帶，熔深1.2mm，速度可以達到
5、 激光復合焊接
激光焊接的優勢已經眾所共知，但是為了降低激光焊接的成本，以激光為核心的復合焊就引起了人們的興趣，應用比較多的就是激光電弧復合焊技術。目前激光與電弧復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，主要利用電弧對焊縫金屬進行預熱，從而提高材料對激光的吸收率；另一種方式是激光與電弧共同作用于熔池，即復合熱源[3]#p#分頁標題#e#。
我們采用激光和電弧共同作用于熔池的方式對5000系列鋁合金和黃銅進行了拼焊。材料為5083鋁合金和黃銅，純氦氣保護。
表5.1激光焊與復合焊對比
|
|
功率 |
材料 |
速度 |
焊縫 |
|
激光 |
1500w |
1.5mm鋁合金 |
1000mm/min |
2mm |
|
激光+TIG |
350W+30A |
1.5mm鋁合金 |
|
3.6mm |
|
激光+TIG |
400W+20A |
1mm黃銅 |
400 mm/min |
2mm |
由表5.1可以看出，復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，復合焊可以大大節約焊接成本。且對于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
激光與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多優點【4】。
6、 結論
大功率固體連續激光器功率的穩定性對于生產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鍵。我們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，實驗了激光復合焊的特殊優點。
參考文獻（略）
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