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高能激光技术在打标、焊接领域的应用
什么是高能激光

        自1960年梅曼（Maiman）发明世界第一台红宝石激光器以来，激光技术获得了突飞猛进的发展，在工业、科学研究、国防等方面获得了广泛应用。随着激光功率的提高，其工业应用范围也随之增大。

        我们常说的高能激光要满足“三高”——高能、高光束质量、高效率，而且高能激光不仅仅是激光器的输出能量高，还要有相当高的功率。能量是可以用时间来积累的，而激光要能完成零件加工，在需要足够的能量密度的同时还要一定的功率密度。通常认为高能激光器输出的激光平均功率应大于10kW，持续时间达数秒，激光能量在数万焦以上。

        网站“联合光科→技术中心→激光”目录下可以查阅关于激光的理论知识，包括激光产生的原理、各类激光器结构、激光锁模技术、激光放大技术等多种激光技术，欢迎访问交流：激光、光谐振腔、光放大、光脉冲。

        这里我们不再赘述，重点来聊一聊高能激光的种类和特点，已发展和正在发展的高能激光器包括但不限于表1：
 
表1 高能激光种类和特点
类型 波长 优点
脉冲钕玻璃激光器 1.06μm

  • 位于近红外大气窗口，大气传输透过率高；

  • 波长短，衍射发散角小；

  • 储能装置大，器件效率低；

  • 虽能实现高功率，却难以做到高能量和高重复脉冲输出，发射间隔长。

二氧化碳激光器

 10.6μm

  • 光束质量高，模式好且稳定，输出功率较大；

  • 能量转换效率高，结构简单，工艺成熟

  • 由于波长长，为了得到较小的衍射极限角，需要大发射系统。
固体激光器 Nd:YAG激光器1.06μm，可以选择不同激光介质得到不同的输出波长

  • 位于大气窗口内；

  • 结构紧凑、刚性好、可靠性高、寿命长；

  • 存在的问题是系统热管理和需要电能，对高能激光必须解决能源问题。
半导体激光器 工作介质不同波长也不同

  • 大功率半导体激光器已趋于成熟，商品化的激光器功率已达到数千瓦；

  • 光束能量分布均匀，光斑形状可以根据需要任意调节；

  • 电光转换效率高，结构紧凑，重量很轻，体积很小，便于现场应用；

  • 缺点是光束质量一般，发散度较高。

自由电子激光器

 波长连续可调，覆盖从X光直到微波波段

  • 可以根据需要旋转输出波长；

  • 输出功率较低，但在理论上能量转换效率高，具有潜在的发展优势；

  • 需有高亮度的电子束，需要电能源大。
高能激光在焊接领域的应用

        激光焊接是把激光作为加热源，利用激光的高能量密度这个特点，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊接处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

  • 激光焊接系统的构成

        激光焊接系统一般由激光器、光学系统、激光加工机床、保护气输送系统、控制与检测系统组成。激光器和光学系统是激光焊接系统的核心。
图1 激光焊接组成结构示意图

        激光焊接要求激光器应具有较高的额定输出功率，较宽的功率调节范围，功率缓升缓降能力，工作稳定、可靠以保证焊接质量，可用于焊接的激光器有CO2激光器、YAG激光器、LD泵浦固体激光器和半导体激光器。

        光学系统主要用于控制光束质量，包括扩束系统、光束传输系统、聚焦系统。光学系统包含了多种高损伤阈值、高精度的球面镜、非球面镜、平面镜等多种透镜和反射镜。

        激光焊接设备中的扩束系统采用的是多倍激光扩束镜，如2.5倍扩束镜，扩束镜通过将主光路输出的激光束进行准直、扩束后，可将原有的输出激光光斑扩大至原来的2.5倍，使光束模式更好；

        经过扩束准直后的激光光束先经过导光反射镜，被反射到加工平台，再由聚焦镜片将激光束聚焦到能量最为集中的精细光束，从而瞬间达到理想的能量密度，进行焊接加工。

  • 激光焊接发生的反应

        激光焊接实质上是非透明材料与激光束相互作用的过程。从宏观的角度上看，整个过程表现为融化、吸收、气化和反射；而微观上看则是一个量子过程。将焊接根据机理进行分类可以分为热传导焊接和激光深熔焊。
图2 a.激光热传导焊接                  b.激光深熔焊

        当聚焦后的激光密度小于104~105 W/cm2时为激光热传导焊。当激光辐射到焊接材料上时，一部分激光被焊接材料所吸收并将其转化为热能量，以热传递的形式通过材料，融化焊缝并最终将焊件焊接在一起。热传导焊接的特点在于它的熔深浅和焊接速度慢，只熔化工件表面。

        当聚焦后的功率密度大于106~107 W/cm2时称为激光深烙焊。大功率激光会使金属表面受到高热，瞬间产生的高温使材料表面金属发生气化而形成小孔，使得金属表面下形成孔洞，称之为匙孔，由于匙孔的形状呈细长，所以激光会在匙孔内壁发生多次反射，并被吸收，因为使得熔深增加，激光停止后，匙孔周围的溶液回流、冷却后工件便连接在一起。其特点是焊接速度快、深宽比大。

 
高能激光在打标领域的应用
 

        激光打标是激光在不同物体表面进行高精度标刻的技术，主要是利用高能量密度的激光照射到物体表面，通过光能导致表层物质发生化学物理变化，或灼烧掉部分物质，使物体表面形成凹槽。

  • 激光打标系统的构成

        激光打标系统主要有激光器、光束控制系统。
图3 激光打标机实物图

        常见的激光打标机主要分为四种，分别是：紫外打标机、光纤激光打标机、二氧化碳激光打标机和半导体激光打标机。

        光束控制系统主要包括激光振镜扫描系统和聚焦系统。激光振镜扫描系统分为X方向扫描系统和Y方向扫描系统，由伺服电机带动固定其上的激光反射镜片运动，每个伺服电机分别由计算机发出数字信号控制，从而控制激光的扫描路径，便能够在物体表面刻画出不同的图案。聚焦系统的作用是将激光束聚焦于一点，主要采用场镜即f-θ镜头，不同的f-θ镜头的焦距不同，打标效果和范围也不一样。
图4  激光打标机系统工作原理示意图

  • 激光打标发生的反应

        激光打标实质也是材料与激光相互作用的过程。这种相互作用的原理主要有“热加工”和“冷加工”两种。

        “热加工”的作用效果和激光焊接过程相似，高功率激光束照射在被加工材料表面，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面温度上升，产生熔融、烧灼、蒸发等现象。

        “冷加工”是具有高负荷能量的紫外光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，致使材料发生非热过程破坏，打标过程不会产生热损伤副作用，因此，对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。
 
激光光学元件
        联合光科为广大用户提供了激光光学元件包含激光透镜、激光反射镜、激光窗口片、激光棱镜、激光偏振元件等，因其具有高激光损伤阈值、高透过率/反射率、大入射角度、良好的相位延迟精度等特点可在激光焊接、激光切割、激光打标、激光微加工、教育科研等相关行业、领域有广泛应用，产品详情可访问：激光光学元件。
图5  联合光科激光光学元件产品
 
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