專利名稱：激光焊接設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用激光束焊接金屬的激光焊接設備，尤其涉及利用兩束不同波長的激光束來焊接具有高反射系數的金屬或合金的激光焊接設備。
背景技術：
近年來，激光已被廣泛應用于工業生產，尤其是用于金屬的焊接、切割、打孔、標記以及表面處理等方面。在生產中，激光焊接技術正變得越來越重要，這主要是由于激光焊接所能獲得的高精度、高加工速率，和對工件產生較低熱應力以及所能達到的自動化程度。當前的激光焊接設備最廣泛使用的激光光源一般有兩種。第一種是氣體激光器，即二氧化碳(CO2)激光器，其激光波長是10. 6微米。第二種是固體激光器，即 Nd: YAG (Nd = Y3Al5O12，摻釹釔鋁石榴石)激光器，其激光波長是1. 064微米。Nd:YAG激光器的工作介質是摻雜少量稀土元素Nd(釹)的YAG晶體棒。Nd:YAG激光器可以連續振蕩，也可以利用Q開關產生巨脈沖振蕩，也可以產生脈沖寬度為100微秒以上(一般為1 10毫秒)的長脈沖。在激光焊接應用中，激光束與待焊接材料的光學耦合特性是相當重要的。如果光學耦合特性不好，材料對該激光波長的反射率高，則材料對該激光的吸收效率低，進而很難獲得一個好的焊接效果。有一個普遍的規律，對同一種材料，激光的波長越長，材料對激光的吸收系數越低；激光波長越短，材料對激光的吸收系數越高。二氧化碳激光器的激光可能不會與諸如鈦、鋼等金屬和合金耦合或有效地被吸收，在室溫下可能被這些金屬或合金顯著地反射。類似地，Nd:YAG激光器常用于低能狀態下(小于500瓦)，在室溫下，也不能很好地焊接銅、金、鋁等這樣的金屬或被其有效地吸收。當前的激光器焊接設備一般使用單一波長的激光束，在室溫下通過增加激光脈沖的峰值功率以克服金屬對耦合的初始阻力，來補償其不良的吸收性能。金屬的溫度越高，對激光的吸收效率越高；即，當金屬達到其熔化溫度時，吸收會顯著地提高。然而，在達到熔化溫度之前，使用一個高能脈沖可能導致相當低的效率，因為在脈沖的開始階段就不能吸收激光束的有效部分；沒有有效的吸收效率就沒有意義談論焊接結果的好壞了。另外，一旦激光脈沖與材料耦合，該很高的峰值功率可能會施加得過大，從而導致材料飛濺(熔化金屬的輻射滴)或引起金屬和合金成分不必要的蒸發。這種不期望的低效率和飛濺可能會造成不良的焊接結構。
發明內容
針對焊接具有高反射系數的金屬或合金存在的問題，本發明的目的在于提供一種激光焊接設備，該激光焊接設備錯開一定的時間差，先后疊加Nd: YAG基波的諧波(波長為 532納米)和Nd: YAG基波(波長為1.064微米)，可以很好地焊接具有高反射系數的金屬和合金，從而提高生產效率和質量。為了達到上述目的，本發明由以下的技術方案來實現。
一種激光焊接設備，包括基波諧振腔，用于產生脈寬可變的基波波長的第一束激光；諧波諧振腔，用于產生脈寬可變的諧波波長的第二束激光；控制單元，用于控制基波諧振腔和諧波諧振腔各自的激光電源，進而控制它們之間的出光順序，使第二束激光比第一束激光稍微優先發射；耦合裝置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使這兩束激光經過相同的聚焦透鏡聚焦在待焊接工件上。本發明有益效果在于，Nd: YAG基波與具有高反射系數金屬(比如，銅和金)的光學耦合特性是不好的；但是，Nd:YAG基波的諧波與銅和金的光學耦合特性是相當高的。利用這兩束激光來焊接，諧波比基波優先發射一定的時間提前量，將待加工工件加熱到工件的熔點附近；然后，基波再被聚焦到待加工工件上。工件被諧波加熱到熔點附近，更容易吸收基波，因此避免了單一使用高能的基波來加工而帶來的材料飛濺的問題。利用基波和諧波來焊接，大大地提高了焊接效率和焊接質量。
圖1是依照本發明一個實施例，耦合聚焦兩束不同波長激光的激光焊接設備的簡化框2是本實施例中Nd: YAG基波振蕩器的簡化框3是本實施例中Nd YAG諧波振蕩器的簡化框4是本實施例中利用控制單元來控制Nd: YAG基波和Nd: YAG諧波的信號波形5是本實施例中包含耦合光學和聚焦光學的耦合裝置的簡化框6是使用非消色差聚焦透鏡聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG諧波的簡化框7是使用消色差聚焦透鏡聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG諧波的簡化框圖
具體實施例方式下面通過具體的實施方式并結合附圖對本發明作進一步詳細的描述，但不應以此限制本發明的保護范圍。圖1是依照本發明一個實施例，耦合聚焦兩束不同波長激光的激光焊接設備的簡化框圖。該激光焊接設備包括Nd:YAG基波諧振腔10和Nd:YAG諧波諧振腔12，分別用于產生基波和諧波；基波諧振腔的激光電源14和諧波諧振腔的激光電源16，分別與基波諧振腔10和諧波諧振腔12上的電光泵浦器件連接；控制單元18，用于控制基波諧振腔的激光電源14和諧波諧振腔的激光電源16，進而控制它們之間的出光順序，使諧波激光比基波激光提前一定的時間量優先發射；耦合裝置20，用于耦合從基波諧振腔10和諧波諧振腔12 發射出來的基波和諧波，最后聚焦在待加工的工件1和工件2上。在這里，Nd: YAG基波諧振腔10和Nd: YAG諧波諧振腔12發射出來的基波(波長為1. 064微米)和諧波(波長為532納米)都是長脈沖激光，脈沖寬度是可變的。基波和諧波從基波諧振腔10和諧波諧振腔12發射出來后的方向是共面并且平行的，經耦合裝置 20耦合到聚焦透鏡上是同軸和共心的。待加工工件1、2可以是鈦、鋼、銅、金、鋁等金屬或合金，但本激光焊接設備用于焊接諸如金和銅具有高反射系數金屬的時候比單一波長的激光焊接設備更有優勢。圖2是本實施例中Nd:YAG基波振蕩器10的簡化框圖。該基波諧振腔10包括Nd: YAG激光晶體棒22，諧振腔后鏡M和諧振腔前鏡26，電光泵浦器件觀和基波諧振腔10 的激光電源14。激光電源14為電光泵浦器件觀提供所需要的電流。電光泵浦器件觀，如氙燈，被激光電源14激勵后發光，然后泵浦Nd:YAG激光晶體棒22。激光晶體棒22吸收從電光泵浦器件觀發射出來的光輻射，并滿足一定的閾值條件后，激光光子從激光晶體棒22 的左右兩端輻射出來，并且在諧振腔后鏡M和諧振腔前鏡沈之間來回反射、振蕩和放大， 最后由諧振腔前鏡26耦合輸出。箭頭所示就是從基波諧振腔內發射出來的基波。諧振腔后鏡M面向激光晶體棒22的一側鍍有對基波(波長為1. 064微米)高反射的介質膜；諧振腔前鏡26面向激光晶體棒22的一側鍍有對基波部分反射(一般地，反射率為50 90% )的介質膜。激光晶體棒22的兩個端面都鍍有對基波高透的介質膜。圖3是本實施例中Nd:YAG諧波振蕩器12的簡化框圖。該諧波諧振腔12包括 Nd: YAG激光晶體棒34，諧振腔鏡30和諧振腔鏡32，非線性光學晶體36，諧波輸出鏡38，電光泵浦器件40和諧波諧振腔12的激光電源16。諧振腔鏡30靠近激光晶體棒34的一側30a，鍍有對基波(1. 064微米)高反射的介質膜。諧振腔鏡32靠近非線性光學晶體36的一側32a，鍍有對基波(1. 064微米)和諧波(532納米)高反的介質膜。激光晶體棒34的兩個端面都鍍有對基波高透的介質膜，靠近諧振腔鏡30放置。非線性光學晶體36的兩個端面都鍍有對基波(1. 064微米)和諧波 (532納米)高透的介質膜，靠近諧振腔鏡32放置。諧振腔鏡30、激光晶體棒34、非線性光學晶體36和諧振腔鏡32共線放置。諧波輸出鏡38放置在激光晶體棒34和非線性光學晶體36之間。諧波輸出鏡38靠近激光晶體棒的一側38a鍍有對基波高透(入射角度為45 度)的介質膜，諧波輸出鏡38靠近非線性光學晶體36的一側38b鍍有對基波高透(入射角度為45度)和對諧波高反射(入射角度為45度)的介質膜。諧波輸出鏡的放置方式必須使輸出后的諧波方向與水平面平行。非線性光學晶體36是KTP晶體(KTiOPO4)或者LBO晶體(LiB3O5)。非線性光學晶體36與基波耦合，發生非線性光學效應，產生波長為532納米的諧波。激光電源16為電光泵浦器件40提供所需要的電流。電光泵浦器件40，如氙燈，被激光電源16激勵后發光，然后泵浦Nd: YAG激光晶體棒34。激光晶體棒34吸收從電光泵浦器件40發射出來的光輻射， 并滿足一定的閾值條件后，激光光子從激光晶體棒34的左右兩端輻射出來，并且在諧振腔鏡30和諧振腔鏡32之間來回反射、振蕩和放大。向諧振腔鏡32傳播的基波與非線性晶體 36耦合，發生非線性光學效應，產生波長為532納米的諧波；未作用完的基波和產生后的諧波被諧振腔鏡32反射，重新向非線性光學晶體36傳播。未作用完的基波再次與非線性光學晶體36耦合，發生非線性光學效應，產生波長為532納米的諧波。先后產生的諧波光束向激光晶體棒34方向傳播，到達諧波輸出鏡38的靠近非線性晶體36 —側38b的時候，從該諧振腔轉向輸出，箭頭所示方向為諧波。而仍未作用完的基波繼續通過諧波輸出鏡38向激光晶體棒34傳播，繼續參與基波的振蕩和放大過程。從基波諧振腔10和諧波諧振腔12發射出來的基波和諧波共面并且平行。本結構框圖只是一種產生Nd:YAG基波的諧波的示意圖。具有激光領域知識的人員仍然可以改變諧振腔的結構以及某些光學元件的鍍膜，從而獲得Nd:YAG基波的諧波。比如，線型的諧振腔結構可以變成折疊型的諧振腔結構，在線型諧振腔或者折疊型諧振腔內加入適當的偏振器件(如，布儒斯特角偏振片)，都可以很容易地獲得Nd: YAG基波的諧波。
在圖1中已經披露控制單元18用于控制基波諧振腔的激光電源14和諧波諧振腔的激光電源16，進而控制它們之間的出光順序，使諧波激光比基波激光提前一定的時間量優先發射。圖4是本實施例中利用控制單元控制Nd YAG基波和Nd YAG諧波的信號波形圖。 基波和諧波的功率輸出波形分別對應于基波諧振腔的激光電源14和諧波諧振腔的激光電源16的輸出信號波形，即激光電源的輸出信號波形的形狀決定了激光的功率輸出波形的形狀。在圖4中，基波和諧波的信號波形都具有不同的脈沖寬度，其脈沖寬度分別為Tl和 T2。圖4中基波信號和諧波信號之間最大的特點是諧波信號以一定的時間提前量ΔΤ比基波信號優先發射。圖5是本實施例中包含耦合光學和聚焦光學的耦合裝置20的簡化框圖。該耦合裝置的耦合光學包括基波擴束鏡42、基波45度轉向鏡44、諧波擴束鏡46、基波諧波45度耦合鏡48 ；聚焦光學包括一組聚焦透鏡50。其中，基波45度轉向鏡44鍍對基波(波長為 1. 064微米)高反射(入射角度為45度)的介質膜；基波諧波45度耦合鏡48靠近諧波擴束鏡46的一側48a鍍對諧波(波長為532納米)高透(入射角度為45度)的介質膜，基波諧波45度耦合鏡48靠近聚焦透鏡50的一側48b鍍對基波高反射(入射角度為45度) 并且對諧波高透(入射角度為45度)的介質膜；聚焦透鏡50鍍對基波高透并且對諧波高透的介質膜。本耦合裝置的功能是將基波和諧波耦合到一起，最后通過聚焦光學聚焦到待加工工件1、2上。基波從基波諧振腔10發射出來后，經過基波擴束鏡42擴束，再經過基波 45度轉向鏡44和基波諧波45度耦合鏡48的兩次轉向，最后經過聚焦光學聚焦到待加工工件1、2上。諧波從諧波諧振腔12發射出來后，經過諧波擴束鏡46擴束，再經過基波諧波 45度耦合鏡48，最后經過聚焦透鏡50聚焦到待加工工件1、2上。上述耦合裝置只是本發明中的一個實施例而已，具有激光領域知識的人員可以很輕松地改變耦合光學的結構以及該光學上的鍍膜，實現將基波和諧波耦合到一起的目的。 比如，基波和諧波從基波諧振腔和諧波諧振腔發射出來后，可以通過光纖傳輸，再經過適當的耦合光學，一樣可以實現將基波和諧波耦合到一起的目的。圖6是使用非消色差聚焦透鏡52聚焦Nd:YAG基波和Nd:YAG諧波的簡化框圖。 同一種材料對不同波長的激光具有不同的折射率，從而具有不同的焦距。在本實施例中，非消色差透鏡52對Nd:YAG基波51和Nd:YAG諧波53具有不同的焦距，因而產生了焦距差 ΔΠ。此焦距差△ Π在焊接的時候會降低焊接效率和焊接質量，甚至有時候沒辦法達到焊接的結果。圖7是使用消色差聚焦透鏡M聚焦Nd:YAG基波和Nd:YAG諧波的簡化框圖。雖然消色差透鏡M對Nd: YAG基波51和Nd: YAG諧波53仍然具有不同的焦距，也產生了焦距差Af2;但是，該焦距差Δ f2大大地低于圖6中的焦距Δ fl，更適合用于激光加工。使用消色差透鏡M來耦合聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG諧波大大地提高了焊接效率和焊接質量。
權利要求
1.一種激光焊接設備，其特征是該激光焊接設備包括基波諧振腔，用于產生脈寬可變的基波波長的第一束激光；諧波諧振腔，用于產生脈寬可變的諧波波長的第二束激光；控制單元，用于控制基波諧振腔和諧波諧振腔各自的激光電源，進而控制它們之間的出光順序，使第二束激光比第一束激光稍微優先發射；耦合裝置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使這兩束激光經過相同的聚焦透鏡聚焦在待焊接工件上。
2.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，基波諧振腔的基波為脈沖激光，脈沖激光的脈沖寬度大于100微秒，脈沖激光的脈沖寬度的變化范圍為100微秒到20毫秒之間。
3.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，基波諧振腔在不使用Q開關的情況下，產生峰值功率為1 10千瓦的第一光束。
4.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，諧波諧振腔的諧波為脈沖激光，脈沖激光的脈沖寬度大于100微秒，脈沖激光的脈沖寬度的變化范圍為100微秒到5毫秒之間。
5.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，諧波諧振腔在不使用Q開關的情況下，產生峰值功率為0. 5 3千瓦的第二光束。
6.根據權利要求3或5所述的激光焊接設備，其特征是，第一光束和第二光束共面并且平行。
7.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，出光順序是第二束激光比第一束激光優先發射一定的時間提前量，時間提前量為0. 1 0. 5毫秒。
8.根據權利要求1所述的激光焊接設備，其特征是，耦合裝置包括兩個部分耦合光學和聚焦光學，耦合光學為透鏡光學，其是將第一光束和第二光束耦合在一起，而且使第一光束和第二光束同軸和共心；聚焦光學為聚焦透鏡光學，聚焦透鏡的焦距范圍為60 160毫米之間。
9.根據權利要求8所述的激光焊接設備，其特征是，聚焦透鏡為消色差組合透鏡，消色差組合透鏡的消色差波長為1. 064微米和532納米。
全文摘要
本發明公開了一種激光焊接設備，包含基波諧振腔，用于產生脈寬可變的基波波長的第一束激光；諧波諧振腔，用于產生脈寬可變的諧波波長的第二束激光；控制單元，用于控制基波諧振腔和諧波諧振腔各自的激光電源，進而控制它們之間的出光順序，使第二束激光比第一束激光稍微優先發射；耦合裝置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使這兩束激光經過相同的聚焦透鏡聚焦在待焊接工件上，它可以很好地焊接具有高反射系數的金屬和合金。
文檔編號H01S3/23GK102581485SQ20111000695
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者葉毅聰 申請人:深圳市光大激光科技股份有限公司