专利名称：激光焊接设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光束焊接金属的激光焊接设备，尤其涉及利用两束不同波长的激光束来焊接具有高反射系数的金属或合金的激光焊接设备。
背景技术：
近年来，激光已被广泛应用于工业生产，尤其是用于金属的焊接、切割、打孔、标记以及表面处理等方面。在生产中，激光焊接技术正变得越来越重要，这主要是由于激光焊接所能获得的高精度、高加工速率，和对工件产生较低热应力以及所能达到的自动化程度。当前的激光焊接设备最广泛使用的激光光源一般有两种。第一种是气体激光器，即二氧化碳(CO2)激光器，其激光波长是10. 6微米。第二种是固体激光器，即 Nd: YAG (Nd = Y3Al5O12，掺钕钇铝石榴石)激光器，其激光波长是1. 064微米。Nd:YAG激光器的工作介质是掺杂少量稀土元素Nd(钕)的YAG晶体棒。Nd:YAG激光器可以连续振荡，也可以利用Q开关产生巨脉冲振荡，也可以产生脉冲宽度为100微秒以上(一般为1 10毫秒)的长脉冲。在激光焊接应用中，激光束与待焊接材料的光学耦合特性是相当重要的。如果光学耦合特性不好，材料对该激光波长的反射率高，则材料对该激光的吸收效率低，进而很难获得一个好的焊接效果。有一个普遍的规律，对同一种材料，激光的波长越长，材料对激光的吸收系数越低；激光波长越短，材料对激光的吸收系数越高。二氧化碳激光器的激光可能不会与诸如钛、钢等金属和合金耦合或有效地被吸收，在室温下可能被这些金属或合金显著地反射。类似地，Nd:YAG激光器常用于低能状态下(小于500瓦)，在室温下，也不能很好地焊接铜、金、铝等这样的金属或被其有效地吸收。当前的激光器焊接设备一般使用单一波长的激光束，在室温下通过增加激光脉冲的峰值功率以克服金属对耦合的初始阻力，来补偿其不良的吸收性能。金属的温度越高，对激光的吸收效率越高；即，当金属达到其熔化温度时，吸收会显著地提高。然而，在达到熔化温度之前，使用一个高能脉冲可能导致相当低的效率，因为在脉冲的开始阶段就不能吸收激光束的有效部分；没有有效的吸收效率就没有意义谈论焊接结果的好坏了。另外，一旦激光脉冲与材料耦合，该很高的峰值功率可能会施加得过大，从而导致材料飞溅(熔化金属的辐射滴)或引起金属和合金成分不必要的蒸发。这种不期望的低效率和飞溅可能会造成不良的焊接结构。
发明内容
针对焊接具有高反射系数的金属或合金存在的问题，本发明的目的在于提供一种激光焊接设备，该激光焊接设备错开一定的时间差，先后叠加Nd: YAG基波的谐波(波长为 532纳米)和Nd: YAG基波(波长为1.064微米)，可以很好地焊接具有高反射系数的金属和合金，从而提高生产效率和质量。为了达到上述目的，本发明由以下的技术方案来实现。
一种激光焊接设备，包括基波谐振腔，用于产生脉宽可变的基波波长的第一束激光；谐波谐振腔，用于产生脉宽可变的谐波波长的第二束激光；控制单元，用于控制基波谐振腔和谐波谐振腔各自的激光电源，进而控制它们之间的出光顺序，使第二束激光比第一束激光稍微优先发射；耦合装置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使这两束激光经过相同的聚焦透镜聚焦在待焊接工件上。本发明有益效果在于，Nd: YAG基波与具有高反射系数金属(比如，铜和金)的光学耦合特性是不好的；但是，Nd:YAG基波的谐波与铜和金的光学耦合特性是相当高的。利用这两束激光来焊接，谐波比基波优先发射一定的时间提前量，将待加工工件加热到工件的熔点附近；然后，基波再被聚焦到待加工工件上。工件被谐波加热到熔点附近，更容易吸收基波，因此避免了单一使用高能的基波来加工而带来的材料飞溅的问题。利用基波和谐波来焊接，大大地提高了焊接效率和焊接质量。
图1是依照本发明一个实施例，耦合聚焦两束不同波长激光的激光焊接设备的简化框2是本实施例中Nd: YAG基波振荡器的简化框3是本实施例中Nd YAG谐波振荡器的简化框4是本实施例中利用控制单元来控制Nd: YAG基波和Nd: YAG谐波的信号波形5是本实施例中包含耦合光学和聚焦光学的耦合装置的简化框6是使用非消色差聚焦透镜聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG谐波的简化框7是使用消色差聚焦透镜聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG谐波的简化框图
具体实施例方式下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。图1是依照本发明一个实施例，耦合聚焦两束不同波长激光的激光焊接设备的简化框图。该激光焊接设备包括Nd:YAG基波谐振腔10和Nd:YAG谐波谐振腔12，分别用于产生基波和谐波；基波谐振腔的激光电源14和谐波谐振腔的激光电源16，分别与基波谐振腔10和谐波谐振腔12上的电光泵浦器件连接；控制单元18，用于控制基波谐振腔的激光电源14和谐波谐振腔的激光电源16，进而控制它们之间的出光顺序，使谐波激光比基波激光提前一定的时间量优先发射；耦合装置20，用于耦合从基波谐振腔10和谐波谐振腔12 发射出来的基波和谐波，最后聚焦在待加工的工件1和工件2上。在这里，Nd: YAG基波谐振腔10和Nd: YAG谐波谐振腔12发射出来的基波(波长为1. 064微米)和谐波(波长为532纳米)都是长脉冲激光，脉冲宽度是可变的。基波和谐波从基波谐振腔10和谐波谐振腔12发射出来后的方向是共面并且平行的，经耦合装置 20耦合到聚焦透镜上是同轴和共心的。待加工工件1、2可以是钛、钢、铜、金、铝等金属或合金，但本激光焊接设备用于焊接诸如金和铜具有高反射系数金属的时候比单一波长的激光焊接设备更有优势。图2是本实施例中Nd:YAG基波振荡器10的简化框图。该基波谐振腔10包括Nd: YAG激光晶体棒22，谐振腔后镜M和谐振腔前镜26，电光泵浦器件观和基波谐振腔10 的激光电源14。激光电源14为电光泵浦器件观提供所需要的电流。电光泵浦器件观，如氙灯，被激光电源14激励后发光，然后泵浦Nd:YAG激光晶体棒22。激光晶体棒22吸收从电光泵浦器件观发射出来的光辐射，并满足一定的阈值条件后，激光光子从激光晶体棒22 的左右两端辐射出来，并且在谐振腔后镜M和谐振腔前镜沈之间来回反射、振荡和放大， 最后由谐振腔前镜26耦合输出。箭头所示就是从基波谐振腔内发射出来的基波。谐振腔后镜M面向激光晶体棒22的一侧镀有对基波(波长为1. 064微米)高反射的介质膜；谐振腔前镜26面向激光晶体棒22的一侧镀有对基波部分反射(一般地，反射率为50 90% )的介质膜。激光晶体棒22的两个端面都镀有对基波高透的介质膜。图3是本实施例中Nd:YAG谐波振荡器12的简化框图。该谐波谐振腔12包括 Nd: YAG激光晶体棒34，谐振腔镜30和谐振腔镜32，非线性光学晶体36，谐波输出镜38，电光泵浦器件40和谐波谐振腔12的激光电源16。谐振腔镜30靠近激光晶体棒34的一侧30a，镀有对基波(1. 064微米)高反射的介质膜。谐振腔镜32靠近非线性光学晶体36的一侧32a，镀有对基波(1. 064微米)和谐波(532纳米)高反的介质膜。激光晶体棒34的两个端面都镀有对基波高透的介质膜，靠近谐振腔镜30放置。非线性光学晶体36的两个端面都镀有对基波(1. 064微米)和谐波 (532纳米)高透的介质膜，靠近谐振腔镜32放置。谐振腔镜30、激光晶体棒34、非线性光学晶体36和谐振腔镜32共线放置。谐波输出镜38放置在激光晶体棒34和非线性光学晶体36之间。谐波输出镜38靠近激光晶体棒的一侧38a镀有对基波高透(入射角度为45 度)的介质膜，谐波输出镜38靠近非线性光学晶体36的一侧38b镀有对基波高透(入射角度为45度)和对谐波高反射(入射角度为45度)的介质膜。谐波输出镜的放置方式必须使输出后的谐波方向与水平面平行。非线性光学晶体36是KTP晶体(KTiOPO4)或者LBO晶体(LiB3O5)。非线性光学晶体36与基波耦合，发生非线性光学效应，产生波长为532纳米的谐波。激光电源16为电光泵浦器件40提供所需要的电流。电光泵浦器件40，如氙灯，被激光电源16激励后发光，然后泵浦Nd: YAG激光晶体棒34。激光晶体棒34吸收从电光泵浦器件40发射出来的光辐射， 并满足一定的阈值条件后，激光光子从激光晶体棒34的左右两端辐射出来，并且在谐振腔镜30和谐振腔镜32之间来回反射、振荡和放大。向谐振腔镜32传播的基波与非线性晶体 36耦合，发生非线性光学效应，产生波长为532纳米的谐波；未作用完的基波和产生后的谐波被谐振腔镜32反射，重新向非线性光学晶体36传播。未作用完的基波再次与非线性光学晶体36耦合，发生非线性光学效应，产生波长为532纳米的谐波。先后产生的谐波光束向激光晶体棒34方向传播，到达谐波输出镜38的靠近非线性晶体36 —侧38b的时候，从该谐振腔转向输出，箭头所示方向为谐波。而仍未作用完的基波继续通过谐波输出镜38向激光晶体棒34传播，继续参与基波的振荡和放大过程。从基波谐振腔10和谐波谐振腔12发射出来的基波和谐波共面并且平行。本结构框图只是一种产生Nd:YAG基波的谐波的示意图。具有激光领域知识的人员仍然可以改变谐振腔的结构以及某些光学元件的镀膜，从而获得Nd:YAG基波的谐波。比如，线型的谐振腔结构可以变成折叠型的谐振腔结构，在线型谐振腔或者折叠型谐振腔内加入适当的偏振器件(如，布儒斯特角偏振片)，都可以很容易地获得Nd: YAG基波的谐波。
在图1中已经披露控制单元18用于控制基波谐振腔的激光电源14和谐波谐振腔的激光电源16，进而控制它们之间的出光顺序，使谐波激光比基波激光提前一定的时间量优先发射。图4是本实施例中利用控制单元控制Nd YAG基波和Nd YAG谐波的信号波形图。 基波和谐波的功率输出波形分别对应于基波谐振腔的激光电源14和谐波谐振腔的激光电源16的输出信号波形，即激光电源的输出信号波形的形状决定了激光的功率输出波形的形状。在图4中，基波和谐波的信号波形都具有不同的脉冲宽度，其脉冲宽度分别为Tl和 T2。图4中基波信号和谐波信号之间最大的特点是谐波信号以一定的时间提前量ΔΤ比基波信号优先发射。图5是本实施例中包含耦合光学和聚焦光学的耦合装置20的简化框图。该耦合装置的耦合光学包括基波扩束镜42、基波45度转向镜44、谐波扩束镜46、基波谐波45度耦合镜48 ；聚焦光学包括一组聚焦透镜50。其中，基波45度转向镜44镀对基波(波长为 1. 064微米)高反射(入射角度为45度)的介质膜；基波谐波45度耦合镜48靠近谐波扩束镜46的一侧48a镀对谐波(波长为532纳米)高透(入射角度为45度)的介质膜，基波谐波45度耦合镜48靠近聚焦透镜50的一侧48b镀对基波高反射(入射角度为45度) 并且对谐波高透(入射角度为45度)的介质膜；聚焦透镜50镀对基波高透并且对谐波高透的介质膜。本耦合装置的功能是将基波和谐波耦合到一起，最后通过聚焦光学聚焦到待加工工件1、2上。基波从基波谐振腔10发射出来后，经过基波扩束镜42扩束，再经过基波 45度转向镜44和基波谐波45度耦合镜48的两次转向，最后经过聚焦光学聚焦到待加工工件1、2上。谐波从谐波谐振腔12发射出来后，经过谐波扩束镜46扩束，再经过基波谐波 45度耦合镜48，最后经过聚焦透镜50聚焦到待加工工件1、2上。上述耦合装置只是本发明中的一个实施例而已，具有激光领域知识的人员可以很轻松地改变耦合光学的结构以及该光学上的镀膜，实现将基波和谐波耦合到一起的目的。 比如，基波和谐波从基波谐振腔和谐波谐振腔发射出来后，可以通过光纤传输，再经过适当的耦合光学，一样可以实现将基波和谐波耦合到一起的目的。图6是使用非消色差聚焦透镜52聚焦Nd:YAG基波和Nd:YAG谐波的简化框图。 同一种材料对不同波长的激光具有不同的折射率，从而具有不同的焦距。在本实施例中，非消色差透镜52对Nd:YAG基波51和Nd:YAG谐波53具有不同的焦距，因而产生了焦距差 ΔΠ。此焦距差△ Π在焊接的时候会降低焊接效率和焊接质量，甚至有时候没办法达到焊接的结果。图7是使用消色差聚焦透镜M聚焦Nd:YAG基波和Nd:YAG谐波的简化框图。虽然消色差透镜M对Nd: YAG基波51和Nd: YAG谐波53仍然具有不同的焦距，也产生了焦距差Af2;但是，该焦距差Δ f2大大地低于图6中的焦距Δ fl，更适合用于激光加工。使用消色差透镜M来耦合聚焦Nd: YAG基波和Nd: YAG谐波大大地提高了焊接效率和焊接质量。
权利要求
1.一种激光焊接设备，其特征是该激光焊接设备包括基波谐振腔，用于产生脉宽可变的基波波长的第一束激光；谐波谐振腔，用于产生脉宽可变的谐波波长的第二束激光；控制单元，用于控制基波谐振腔和谐波谐振腔各自的激光电源，进而控制它们之间的出光顺序，使第二束激光比第一束激光稍微优先发射；耦合装置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使这两束激光经过相同的聚焦透镜聚焦在待焊接工件上。
2.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，基波谐振腔的基波为脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度大于100微秒，脉冲激光的脉冲宽度的变化范围为100微秒到20毫秒之间。
3.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，基波谐振腔在不使用Q开关的情况下，产生峰值功率为1 10千瓦的第一光束。
4.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，谐波谐振腔的谐波为脉冲激光，脉冲激光的脉冲宽度大于100微秒，脉冲激光的脉冲宽度的变化范围为100微秒到5毫秒之间。
5.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，谐波谐振腔在不使用Q开关的情况下，产生峰值功率为0. 5 3千瓦的第二光束。
6.根据权利要求3或5所述的激光焊接设备，其特征是，第一光束和第二光束共面并且平行。
7.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，出光顺序是第二束激光比第一束激光优先发射一定的时间提前量，时间提前量为0. 1 0. 5毫秒。
8.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征是，耦合装置包括两个部分耦合光学和聚焦光学，耦合光学为透镜光学，其是将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轴和共心；聚焦光学为聚焦透镜光学，聚焦透镜的焦距范围为60 160毫米之间。
9.根据权利要求8所述的激光焊接设备，其特征是，聚焦透镜为消色差组合透镜，消色差组合透镜的消色差波长为1. 064微米和532纳米。
全文摘要
本发明公开了一种激光焊接设备，包含基波谐振腔，用于产生脉宽可变的基波波长的第一束激光；谐波谐振腔，用于产生脉宽可变的谐波波长的第二束激光；控制单元，用于控制基波谐振腔和谐波谐振腔各自的激光电源，进而控制它们之间的出光顺序，使第二束激光比第一束激光稍微优先发射；耦合装置，用于耦合第一束激光和第二束激光，使这两束激光经过相同的聚焦透镜聚焦在待焊接工件上，它可以很好地焊接具有高反射系数的金属和合金。
文档编号H01S3/23GK102581485SQ20111000695
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者叶毅聪 申请人:深圳市光大激光科技股份有限公司