激光焊接基础知识 - 图文

米亚奇公司 Nd（钕）:YAG激光器激光焊接指南

米亚奇公司2003年版

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目录

1.激光基础 1.1介绍

1.2激光产生的原理 1.3Nd:YAG激光的介质 1.4泵浦源 1.5谐振器

1.6激光安全

2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头

2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数

2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦

2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统

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2.4.3聚焦镜片

2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例

1. 激光基础

1.1 介绍

“激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射而放大的光）的缩写，激光器的要素有： 1.激光介质 2.输入泵浦 3全反射镜 4.前端反射镜 5.共振器 Nd:YAG激光器有两种类型，连续波的和脉冲波的，正如它们的名字所指，连续激光的波形要么是开，要么是关，但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接，反之连续激光使用的是平均功率，这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接，并形成了更小的热影响区，脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入，米亚奇的就是脉冲激光焊机。

1.2 激光产生的原理

激光本质上是分三步产生的，发生几乎是瞬间的。

1. 泵浦源给介质提供能量，将介质内部原子激活，使得带电原子暂时被激发到高能级，处在此活跃级的带电原子是不稳定的，于是跃迁到低能级，在这个

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过程中，从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子，这个过程叫做自发辐射，通过这种方式产生的光子是激光的种子。

2. 光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子，由于光速极快，处在激发态的原子的密度很大，所以这个过程是极其短暂的，入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子，这两个光子是相干的，这意味着它们相位相同，波长相同，传播方向相同，这个过程叫做受激辐射。

3. 光子传播方向是不定的，然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜，又通过介质反射回来，共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向，为了使这个扩大发生，那处在活跃态能级的原子数量必须远大于处在低能级原子的数量，这种大量处在活跃能级的“粒子数反转“是产生激光的必需条件。

活跃态 激光光子 泵浦能量 电子 活跃态 两个激光光子 泵浦能量 基态 电子 基态

谐振器 图B:激光产生的三个阶段的简化图示，包括：（1）自发辐射（2）受激辐射（3）放大

1.3 Nd:YAG激光介质

Nd：YAG激光焊接者所用的激光棒是一种合成的钇铝石榴石晶体，主体材料是含有一小部分钕的YAG材料，一种活性元素，在钇离子中加入钕离子叫做掺杂，

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通常的掺杂比例约为1，1.5%，选择最佳的激光效果和防止过度应变的晶体为掺杂时机，因为Nd3+离子体积大于Y3 +离子，YAG晶体是激光材料Nd3+的理想主体材料，硬度高，稳定，光性均匀的，并具有良好的导热性，允许激光在高平均功率水平工作，钕是一种很好的激光材料，因为它能产生比任何其他掺杂元素都要高的功率，激光棒的功率和光学性能决定了它的尺寸，由于晶体质量和热管理，激光棒的最大尺寸限制在了长度200mm和直径15mm。

1.4 泵浦源

使活跃的介质产生激光，需要输入外部能量或泵浦源，泵浦源的选择取决于激光介质的类型和激光的类型，Nd：YAG晶体是一种固态激光器，即介质是固态晶体，并用光的能量作为泵浦源，光能是由脉冲激光焊机闪光灯提供的。

1.5 谐振器

谐振腔的设计对激光束的发射质量和空间功率分布有着重要的影响，最常用的谐振器设计成由两个球形或平面反射镜面对面，光束的传播特性是由反射镜的曲率和它们之间的距离决定的，光镜的曲率和间距的优化需要复杂的分析，这是因为激光棒中产生激光的过程中的热效应将其更加复杂化了，当激光吸收泵浦能量时，激光棒就被加热。如果泵浦能量的频率超过晶体的热弛豫时间，晶体的温度就会升高，这导致在激光棒晶体温度梯度引起的热透镜效应，使晶体作为透镜的衍射的激光功率的降低，这个过程在晶体激光棒中引起温差，并通过晶体棒像透镜一样衍射激光而导致热透镜效应。

脉冲激光焊接的泵浦腔给闪光灯和激光棒提供房间，它一般设计成内壁镀金的椭圆形状，用来反射从闪光灯传播到晶体棒的所有的光，流动的水浸没整个泵浦腔来冷却闪光灯和激光棒。

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