激光焊接基础理论

CO2激光的产生
轴流式CO2激光器系统
几个功能部件在 谐振腔中采用了光 学串联方式连接， 这样既提高了功率， 同时又保持了各部 分独立设计的特点。
CO2激光的产生
扩散冷却式CO2激光器系统
射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电 腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量 密度。
CO2激光的产生
工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%； 光束波长：10.6µ m;
CO2激光的产生
1. 激光束 2. 切向排风机 3. 气流方向 4. 热交换器 5. 后镜 6. 折叠镜 7. 高频电极 8. 输出镜 9. 输出窗口
一般气流的流动速度较慢, 将热量从放电腔中带走。 高频激励横流CO2激光器系统
激光束特征描述及光束传播定义
气体激光的光能横向分布
激光束特征描述及光束传播定义
不论是轴对称还是旋转对称， 其TEM 00 模是一致的，称为基模。光 波的强度与光波电矢量振幅的平方 成正比，一束沿方向传播的基模光 束的光强可表示为：
光强
2( x 2 y 2 ) 2P I ( x, y, z ) exp 2 ( z ) 2 ( z)
折射指数n
出光纤后的强度分布
b) 梯度折射率光纤
光纤传输方式
冷却设备
光纤
多路转接器
以很高的转向频 率，依次给超过20 根的光纤提供光源， 适合“多点”或 “多工位”激光加 工。
光束转 向镜
激光束
聚焦镜
远距离焊接系统原理
CO2激光器的应用
功率：2kW 焦距：150mm
材料：齿轮钢 深度：2.5mm 速度：3.5m/min
YAG激光的产生
YAG激光器的氪弧灯与二极管泵浦源的谱线分布
二极管激光的发射光和Nd:YAG吸收波段之间的良好光谱匹配 降低了Nd:YAG晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量， 提高激光输出功率和脉冲重复频率。
二极管泵浦YAG激光器在材料加工中的优势
ΔHQ
●
加工效率更高
(更高的速度或更低的功率要求)

M 2

激光束特征描述及光束传播定义
光束参数积与激光功率决定加工范围
激光束特征描述及光束传播定义
四、光束的聚焦特性
0
D=2r
聚焦后焦点半径：
0
D=2r
rfoc
f r K
f
ZRaylengh
聚焦面
焦点附近，光束横截面积为焦点处 2倍的两个光束横截面之间的距离称为 瑞利长度或焦深，可用下式表示：
半导体激光的产生
半导体结构内的电 子空穴复合时，可以 在非常窄、非常薄的 区域内产生几毫瓦功 率的光，许多这样的 元件组合起来可形成 一个“激光条”。
典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每 个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度 约为600µ m。
半导体激光的产生
光斑半径
2( x2 y 2 )
所描述的规 律从中心向外平滑地降落，故称为高斯光束。由光强降落到中心值 的 1/ e2的点定义为光斑直径为 ( z ) ，在这个半径值的圆内包含了光束 总能量的86.5%。中心处最大光强为 22P 。
( z )
基模光束在任意截面内的光强分布按高斯函数 e
激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、 规则有序的大振幅光波。
激光束特征描述及光束传播定义
一、光束的模式
通常把光波场的空间分布分解为沿传播方向的分布和垂直于传 播方向的横截面内的分布，分别称之为纵模和横模。 光腔理论证明，在稳定光腔内外沿光轴传播方向的任意位置处， 光场的横向分布规律不变，但光束直径大小不同。 光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光加工影响 极大。而光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。 CO2激光通常用TEMmn 表示横模的光场分布，TEM是横电磁 波“Transverse Electromagnetic Wave”的缩写，m、n为正整数。横 模可以是轴对称的，也可以是对光轴旋转对称的。
结构紧凑、坚固，气体消耗小。
激光器类型： 横流 轴流 输出功率等级： 3~45kW 1.5~20kW 脉冲能力： DC DC-1kHz 光束模式： TEM02以上 TEM00-TEM01 光束传播系数(K) 0.15 0.4 气体消耗： 小 大 电-光转换效率： 15% 15% 焊接效果： 较好 好 切割效果： 差 好 相变硬化： 好 一般 表面涂层： 好 一般 表面熔覆： 好 一般
.
激光束
光束反 射腔 聚焦模块 f3
聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦 合角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传 出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。
光纤传输方式
进入光纤前的强度分布 n1 n2
折射指数n
出光纤后的强度分布
a) 阶跃折射率光纤
进入光纤前的强度分布 n1 n2
1 1 K 2 M w0 0
通常K值范围：0.1～1， M2范围：1～10 K或M2为1， 光束质量实际达到衍射极限。 (2)光束参数积(BPP-Beam Parameter Product) 其定义为束腰W0和激光发散角0的乘积.决定激光加工适用范围
wo 0

K
CO2、YAG激光器性能比较
激光器类型： YAG 光束波长: 1.06m 输出功率等级： 0.1~5kW 脉冲能力： DC-60kHz 光束模式： 多模 光束传播系数（K） 0.15 电-光转换效率： 3-10% 光束传输: 光学镜片或光纤 焊接效果： 优良 切割效果： 一般 表面处理: 好 运行成本: 高 CO2 10.6m 0.5~45kW DC-5kHz TEM00-多模 0.1-0.8 15-30% 光学镜片 好 优良 好 低
f 2 2 r 2 K
dfoc=2rfoc dRaylengh=2rRaylengh = 2 dfoc
dfoc=2rfoc
Z Rayleigh
激光束的反射、透射聚焦
激光的产生
激光的形成过程 工作物质 激励、受激辐射 自激振荡增益 外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔
2 2 2
光束半径
( z)
激光束腰

0

远场发散角 光轴
z0
一般，只要远场发散角较小，光束的传播也可由下面的简化公式描述：
2 [w( z)]2 w0 ( z z0 )2 02
激光束特征描述及光束传播定义
三、光束质量评定
(1) 通常激光束质量的评定可采用其中任一的参数，光束传播系数（ K）、 光束衍射极限倍数（M），定义如下：
2 (z)
激光束特征描述及光束传播定义
YAG等固体激光器，其光能的空间分布则远为复杂，不能用简单的 数学公式描述。因为固体激光棒不可避免地存在很多缺陷，折射率不 均匀，在光泵作用下受热而产生光程变化和双折射等。
固体激光的光能横向分布
激光束特征描述及光束传播定义
二、发散角
z ( z ) 0 1 2 0
灯式泵浦Nd:YAG 激光器加工头 二极管泵浦Nd:YAG 激光器加工头
聚焦直径更小
●
热输入低
●
加工灵活性更高 ΔHQ
光学镜片更细小
难以到达的工作区
ΔHQ
Δ HQ = 由高质量光束引起
工作距离更远 的加工灵活性的增加
较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度 光束质量高： 工作距离大 瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感
扩散冷却
0.2~3.5kW
DC-5kHz
TEM00-TEM01 0.8
极小
30% 优良
优良
一般 一般
一般
YAG激光的产生
根据工作物质分类： 红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；
Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；
钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级 根据泵浦方式分类： 氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲； 氪弧光灯泵浦: 连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续； 二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲； 调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦）， 脉冲宽度：100~500ns，频率：几百~62kHz。
功率：1.3kW 焦距：150mm
材料：齿轮钢 深度：1.5mm 速度：5.5m/min
功率：2kW 焦距：150mm
材料：不锈钢 深度：1.5mm 速度：7m/min
功率：3.5kW 焦距：200mm
材料：不锈钢 深度：1.1mm 速度：8m/min
激光焊接汽车组合齿轮
激光焊接不锈钢传感器
YAG激光器的应用
一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度， 可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。
3、相干性好
以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再 使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是 光的干涉。
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱 光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。
激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部 轮廓wenku.baidu.com另一侧面看类似高斯分布轮廓。
半导体激光的产生
半导体激光波长808，940，980nm。
激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。 进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常 将这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这 样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW 。
激光
能 量 自然光
波长
2、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。
激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。 激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：
(发散角)
激光束
等相位面
发散角：
4 /( D) 1.27 / D
激光的方向性带来两个结果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。
半导体激光的产生
附带电源的大功率半导体激光器
半导体激光加工头
CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比
激光加工系统的构成
循环水冷系统
激光 器控 制器
激光器
气体供给系统
光束传输及聚焦
CNC控制 工作台
CNC 控制系统
反射镜传输
CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理
光纤传输
光纤传输基本原理
CCD 耦合单元 α 光纤 f1 f2 校准模块
1kW的脉冲Nd:YAG激光器
YAG激光的产生
二极管泵浦YAG激光器 低功率激光器：末端泵浦 高功率激光器：侧向、横向泵浦
二极管在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。
6-轴机器人YAG激光焊接汽车顶棚（VOLVO）
半导体激光器的应用
IR Diode
Housing
Lid with push buttons
高能束焊接的定义
高能束焊接（电子束焊EBW、激光束焊LBW） 是利用高能密度束流作为热源的焊接方法。其能量 密度比TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上， 通常高于 5×105W/cm2。
激光束基本特性
单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。 1、单色性 激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。
He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。 普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)， 其谱线宽度为4.7×10-3nm。 激光的单色性比一般光要高出106～107倍以上 . 自然光由波场范围较宽的光构成， 激光的谱线展宽极小，具有很好的单色 性。 单色性决定物质对激光能量的吸收 和精细聚焦的可能性； CO2：10.6μm CO： 5.4μm YAG： 1.06μm 准分子：0.24μm；
YAG激光的产生
灯泵浦Nd:YAG激光器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径 7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。
YAG激光的产生
灯泵浦Nd:YAG体激光器
将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高 功率的激光束，每个独立的棒可通过透 镜引导并规则的排列起来。 目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。 输出4kW功率。