激光焊接基础知识 - 图文 (2)

镜子 闪光灯 泵浦腔 镜子 激光棒

图C:Nd:YAG脉冲激光焊的主要组成是一个用闪光灯的光学泵浦

1.6 激光安全

在美国，美国食品药物管理局CDRH对激光安全问题负有管理权，此外，美国的激光研究所提供了激光安全的指导方针和实践，除了与操作任何设备相关联的名义危害外，用Nd YAG激光相关的主要风险是涉及与激光物质直接或间接的眼睛接触，由于人眼实际上将激光束直接聚焦到视网膜上，激光操作员和在激光附近的其他所有人，必须长时间工作在众所周知的一级眼安全环境，激光有四个级别，从四级到一级，一级是最安全的，一级眼安全环境要么通过带上任何合适的安全护目镜，要么所有激光物质包含在一级密封的机箱或工作站内，CDRH提供激光制造商和用户具体规则、标准和每种类型的激光和能量级的暴露限值。

2 激光焊接基本原理

Nd:YAG脉冲激光焊接系统包含几个要素：1.激光，2.光束传输3.聚焦头4.激光焊接系统5.关键焊接参数。

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激光焊接系统要素 激光 光束传输 光纤/反光镜 聚焦头 透镜 过程 焊接系统 运动

2.1脉冲激光焊

焊接用的激光是由Nd:YAG激光器闪光灯泵浦产生的脉冲激光，Nd:YAG晶体是最有效和最强大的材料，可用于解决晶体棒内产生的功率热量，与二极管泵浦和Q开关产生的激光相比，脉冲激光焊要的是闪光灯，二极管不适合产生脉冲，Q开关不能提供给焊接用的高效能量。

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Nd：YAG激光棒 灯泵浦模块 穿透镜 激光能量监视器 输出透镜 可变反射镜 照射器 输出调节器 抽样 反馈 中央处理单元 输出波监视器 灯泵浦能量供给逆变器 监视显示 输出波形设置

图D:一个脉冲Nd：YAG激光焊机的布局所展示的谐振腔和光学光束传输组件，注意实时功

率反馈，以及时间或能量分配的能力

2.1.1实时功率反馈

也许Nd:YAG脉冲激光焊机需要设计成能提供一系列特殊的特性，用来优化焊接工艺，为更多苛刻的应用增加可靠性和可重复性，实时功率反馈，通过对源电流的脉冲宽度调制，在闪光灯整个生命周期中，确保卓越的脉冲稳定性，自动提供相同的预置焊接参数。

2.1.2功率斜波

在缝焊应用中，功率斜波的特征是消除使用旧的激光设计原本发生的末端脉冲的破裂，功率斜波允许焊接程序逐渐增加焊接开始和结束时的激光能量，它还提供了一个更具美观性焊缝。

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图E:缝焊中的渐变特性，防止末端脉冲破裂，保证生成平滑的焊缝

2.1.3脉冲成形

大多数焊接情况下使用的是如下图所示的方波焊接脉冲，但在少数应用中使用脉冲成形能增强焊接性，脉冲波形有很多种，但最常用的是两个基本波形，第一个用来克服像铜和铝这样的高反光性材料，第二个是用来尽量减少焊接过程中容易出现开裂的的那部分材料的热循环。

峰值功率 方波脉冲 细高脉冲 退火脉冲

脉冲成形项目 2.1.4时间分配

时间分配特征允许一束激光被分成两束或两束以上传输到焊缝，用来有序分隔工作区域或者工作环境。由于时间的分配，一束激光可以提供用于各种焊接参数的多样的工作环境，这极大减小了激光的成本。

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2.1.5功率分配

功率分配特征允许一束激光被分配，同时传输到两个或更多焊缝，因此大大增加了每束激光脉冲的焊接数量，每束光束都适当地平衡，这样每个焊缝的熔核都具有相同的形状，面积和深度。

2.1.6光束传输

通常使用大约5m长的柔性光缆将光束传输到焊接区，柔性光缆的使用，大大有利于集成到总控激光焊接系统，工厂自动化设备和机器人。使用位于激光腔中的光学系统将激光束发射到光纤中，光纤有两种类型，阶梯指数或者渐变指数，纤维也可有不同的核心直径，从100至1000微米，进一步详情请参阅3.4.2节。

2.1.7聚焦头

光学线缆将激光能量传输到聚焦头，聚焦头由光学器件组成，它聚焦光纤发出的激光并发射到被焊接的材料上。较长的焦距透镜产生较大的光斑直径，而较短的焦距透镜产生较小的焊点。（更多细节见3.4.3聚焦光学）。

2.2激光焊接过程

激光焊接是一种非接触的过程，需要从焊接部件的一侧进入焊接区，强烈激光以毫秒为单位快速加热一般材料，形成焊缝，激光的灵活性提供了三种类型的焊接：传导模式，传导/渗透模式，穿透或小孔模式。

传导 穿透/传导

穿透/小孔 图F：根据激光脉冲的功率密度和脉冲宽度产生的三种类型的焊接

?传导型焊接是在低能量密度形成一个浅而宽的焊核，

?传导/穿透模式发生在中等能量密度的情况下，比传导模式显示更大的穿透比， ?穿透或小孔模式的焊缝具有深而窄的特征，这种模式下，激光在气化了的材料里形成了一个像钥匙孔一样的细洞，它延伸到材料，并为激光提供导管，高效地在材料内部传输，这种直接输送到材料的能量不依赖于传导，以达到渗透，

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