大功率激光器可以通過多腔串接來實(shí)現(xiàn)，串接越多對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求和器件加工的要求就越高。
其激光功率的穩(wěn)定性與設(shè)計結(jié)構(gòu)和器件配置密切相關(guān)。本文從激光器單元的角度探討大功率燈泵激光器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并對大功率激光器金屬焊接工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
大功率激光器諧振腔和聚光腔的基本設(shè)計
根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究，利用現(xiàn)有器件和技術(shù)制造雙燈單棒500W~600W激光器已經(jīng)成熟。為了獲得更大的功率，同時提高泵浦效率、降低熱效應(yīng)、提高光束質(zhì)量，我們采用6棒串接，每支晶體由單燈泵浦。按照K. P. Driedger等人的研究結(jié)果，把諧振腔設(shè)計成棒-鏡間距等于棒-棒間距一半的對稱平行平面腔。
這樣做的結(jié)果是擴(kuò)大諧振腔的幾何長度，并且延伸了整個激光器的長度。考慮到激光器整體緊湊性的要求，采用一直角棱鏡將光路轉(zhuǎn)折，形成如圖1所示的光路和諧振腔結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步的發(fā)展是把兩個并排的單燈單棒聚光腔做成一體，形成雙燈雙棒雙腔聚光腔。每個腔體由兩個相同的單橢圓聚光腔并排組成，每個單橢圓聚光腔中各放置一支晶體棒和一支泵浦燈，其結(jié)構(gòu)示意如圖2。
大功率激光器的穩(wěn)定性定性分析
除了功率和光束質(zhì)量是我們所追求之外，功率的穩(wěn)定性也是一個重要的目標(biāo)。隨著注入電功率的增加，激光功率存在一定范圍的波動性，楚天激光的2000W激光器功率的穩(wěn)定性小于±3%。
激光器的輸出功率受到以下因素的影響：
● 激光晶體的模體積 激光功率的大小和激光晶體中的模體積成正比，模體積越大，激光功率也就越大。但隨著注入電功率的增加，晶體的熱效應(yīng)也隨之嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體模體積發(fā)生變化，影響激光功率輸出。
● 諧振腔腔鏡的受熱形變 對稱的平行平面腔在晶體中具有較大的模體積，而隨著功率的增加，鏡片的受熱形變導(dǎo)致腔型發(fā)生改變，從穩(wěn)定腔過渡為非穩(wěn)腔，因此影響激光功率的輸出。
● 燈的功率的衰減 用氪燈作為耗材，其效率在大功率使用下會隨著使用時間慢慢衰減，燈功率的下降對激光功率的穩(wěn)定會造成影響。另外由于普通的純凈水中含有大量的微生物和各種離子，所以在高溫的燈管壁上容易附著這些雜質(zhì)，也造成了燈的效率的降低。
以上客觀因素在激光器的設(shè)計中不可避免，為了保證激光功率的穩(wěn)定輸出，就必須使激光器各個受熱器件快速達(dá)到熱平衡狀態(tài)。我們通過對激光器聚光腔的通水管道的設(shè)計，使得通過腔體的水流流速達(dá)到設(shè)計值，如圖3為800W設(shè)備的功率實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)過大約15到20分鐘的熱平衡時間，功率進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
大功率激光焊接的優(yōu)點(diǎn)
大功率激光焊接具備在焊接工件表面形成大的功率密度。配合光纖傳輸，能實(shí)現(xiàn)了較高的自動化程度，并具有較大的靈活性，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接很有優(yōu)勢。激光深穿透焊接的融化區(qū)域具有很高的深寬比。這對于焊接厚度較大的材料很有優(yōu)勢。而且加工速度快，熱影響區(qū)、熱變形小。
鋁合金焊機(jī)的特點(diǎn)
鋁合金重量輕，韌性好，有一定強(qiáng)度，在工業(yè)生產(chǎn)特別是汽車和航天工業(yè)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中日益廣泛。鋁合金的激光焊接可以解決傳統(tǒng)焊接方式的熱變形問題，但同時也存在以下難點(diǎn)：
● 鋁合金的反射率高，導(dǎo)致熱源利用率很低，熱導(dǎo)率大，熱輸入大，線膨脹系數(shù)大。
● 焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低——阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙。
● 鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜（Al2O3, 厚度約0.1m，其熔點(diǎn)為2050～2060℃），必須使用大功率密度的焊接工藝。
● 鋁合金焊接中容易產(chǎn)生氣孔；在快速冷卻過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。
因此，鋁合金的激光焊接需要采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度快的高效焊接方法。采用Nd:YAG固體激光器產(chǎn)生的1.06m的激光，可以很好地滿足鋁合金焊接的需要。
焊接材料的準(zhǔn)備
我們選取的是典型的鋁合金板材，牌號5052。鋁合金激光焊的難點(diǎn)之一就是鋁合金對激光的高反射，所以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理，改善對光束能量的吸收。焊接采用氬氣保護(hù)，氣流量為10 L/min。試驗(yàn)采用了干燥壓縮空氣做氣簾氣體。
試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)從焦點(diǎn)位置參數(shù)（如離焦量）、激光功率、激光焊接速度和等離子體的控制等影響激光焊接質(zhì)量的幾個主要因素，來研究鋁合金的激光焊接工藝。
● 焦點(diǎn)位置參數(shù) 對一定厚度的鋁合金材料進(jìn)行激光焊接時，在一定的激光功率和焊接速度的情況下，焦點(diǎn)位置（包括激光入射角）的選擇決定了焊接的最大熔深。
圖5示意了進(jìn)行激光焊接時其焦點(diǎn)位置參數(shù)的選擇，主要包括有離焦量h（即焦點(diǎn)離工件表面的距離、豎直焦點(diǎn)位置或焦點(diǎn)高度）、偏移量（即水平焦點(diǎn)位置）和入射角（即激光束傾斜的角度）三個參數(shù)。
離焦量——在激光加工中，采用負(fù)離焦可以增加熔深。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)激光焦點(diǎn)在工件表面下的某一距離處可得到最大的焊接穿透深度。隨著使用的激光功率不同，豎直焦點(diǎn)位置移動的范圍在材料表面下方約為材料厚度的20%～30%。一般取焦點(diǎn)距基體表面的距離約為板厚的1/3，焦點(diǎn)應(yīng)負(fù)離焦0.4～0.6mm為好。
入射角——激光焊接鋁合金材料時，由于鋁合金對YAG激光的反射率較高（在未產(chǎn)生小孔時可達(dá)85％），所以，常采用激光適當(dāng)偏轉(zhuǎn)一定角度，以避免反射的激光能量過強(qiáng)而損壞光纖或聚焦鏡，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光的入射角一般選在4～5 左右可獲得最佳焊縫效果。
● 激光功率 這是影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)，尤其是決定焊縫穿透深度的主要因素。
如圖6所示，根據(jù)焊接速度的不同，分別在1.2、1.5、1.8、2.0 m/min四種不同焊接速度下研究激光功率對焊縫熔深的影響。
● 焊接速度 激光焊接速度也是影響焊接質(zhì)量的重要參數(shù)。焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域的熱輸入，對焊縫的形狀和尺寸有著較大的影響。
如圖7所示，根據(jù)激光功率的不同，分別在1.0、1.5、1.8、2.0KW四種不同激光功率下研究焊接速度對焊縫熔深的影響。
對于一定厚度的鋁合金板材，有一最佳匹配的焊接功率和焊接速度。在一定的速度、一定的焊接功率情況下，其焊接厚度和寬度隨掃描速度的增加而減少。焊縫熱影響區(qū)也會隨掃描速度的減少而變大。2000W的激光功率，能焊接1.8.～2.0mm厚的鋁合金材料。在這種條件下，其焊接速度約為1.8m/min。表1、表2、表3對比了四種焊接樣品的實(shí)際焊接效果。
焊接狀態(tài)分析及其控制
鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔問題。激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔；低熔點(diǎn)、高蒸汽壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔；激光束引起熔池金屬波動匙孔不穩(wěn)定，熔池金屬紊流導(dǎo)致氣孔生成。
材料表面狀態(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)生，選擇合適的表面處理措施，加強(qiáng)保護(hù)和采用高功率、高速度、大離焦量（負(fù)值）焊接時可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。
大功率連續(xù)激光用于管材焊接
用不銹鋼板帶生產(chǎn)不銹鋼管時，半圓軋輥將不銹鋼板帶軋成管子，需要采用連續(xù)激光對接口進(jìn)行焊接。此項(xiàng)焊接鋼帶較長，一根管子焊下來不能停頓，所以要求大功率的激光器長時間穩(wěn)定工作，楚天激光生產(chǎn)的1GY-800W YAG連續(xù)激光設(shè)備到達(dá)工件表面功率800W，對于這種空管的焊接非常合適。
對于焊接1.2mm厚鋼帶，熔深1.2mm，速度可以達(dá)到2m/min，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，焊接表面光滑美觀。經(jīng)過氣密性、拉力與壓力測試，效果很好。
激光復(fù)合焊接
目前激光與電弧復(fù)合焊接主要有兩種方式，一是沿焊接的行程方向，電弧與激光前后排列，中間有一定間距，主要利用電弧對焊縫金屬進(jìn)行預(yù)熱，從而提高材料對激光的吸收率；另一種方式是激光與電弧共同作用于熔池，即復(fù)合熱源。
我們采用激光和電弧共同作用于熔池的方式，對5000系列鋁合金和黃銅進(jìn)行了拼焊。材料為5083鋁合金和黃銅，純氦氣保護(hù)。
由表4可以看出，復(fù)合焊接的功率注入更小，焊接效率更高，如果不是單純追求焊縫效果的話，復(fù)合焊可以大大節(jié)約焊接成本。且對于黃銅使用純激光焊接比較困難，采用400W激光和TIG（電流20A）復(fù)合焊接，則可以達(dá)到比較理想的效果。
綜上所述，大功率固體連續(xù)激光器功率的穩(wěn)定性對于生產(chǎn)加工的效率非常重要，激光器熱平衡狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定是激光功率穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過對激光器參數(shù)的合理選擇，可以減少鋁合金焊接中的氣孔。在此基礎(chǔ)上，以激光和TIG相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)了激光復(fù)合焊的特殊優(yōu)點(diǎn)。
作者：郭軍，鄧傳經(jīng)，周鋼，孫文
武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司
