搜索
本科生创新研修课报告激光焊接应用技术专业焊接技术与工程学生任逸群学号7132910605授课教师陶汪日期2015.4哈尔滨工业大学教务处制激光焊接应用技术创新研修课报告一、激光焊接技术特性1．激光技术原理1.1激光的基本物理特性1.1.1单色性光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，产生的632.8nm的谱线宽度只有109nm，而普通的光源谱线宽度是109nm，高出106以上，所以激光的单色性非常的好。1.1.2方向性普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有103-105弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。而一个具有10mW功率的氦氖激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很高的亮斑。1.1.3相干性一个几十瓦的电灯泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直径的小球内，就可以得到很高的光功率密度，用这个能量能把钢板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，即激光的相位在时间上是保持不变的，因此可以用透镜把它们会聚到一点上，形成相位整齐，规则有序的大振幅光波，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm，比太阳表面的亮度还高若干倍。具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。1.1.4激光光束质量的评价通常认为,光束质量是从质的方面来评价激光的特性。但是,长时间以来,光束质量一直没有确切的定义,也未建立标准的测量方法,这给科研和应用都带来不便。20世纪90年代初,Siegman对描述激光光束质量的M2因子给出较为完整的理论[1],对光束主要特征量如光束质量、束宽和远场发散角及其传输变换的研究也进入了一个新的层次,已延拓至非衍射转换极限非高斯光束的实际任意光束[2]。这一基于二阶矩定义的光束质量的M2因子（其中M为光束衍射极限倍数）,可以更客观、至少在物理上更客观地评价某些特殊光学元件和激光系统。但各种评价方法都存在着适用范围和局限性,各种光束质量的定义对应于不同的应用目的,所反映光束质量的侧重点也不同,因此光束质量的好坏,应视具体的应用目的做出评价。下文主要介绍M2因子光束质量的评价方法，并简述其他方法。光束质量的描述必须用一个具体的量值表示,它应该是从完整描述光波的无穷多信息中抽取组合成的最能反映光束特征、最具有物理内涵的一个量值,实际应用中常用来评价光束质量的方法有M2因子、衍射极限倍数、桶中功率比、斯特列尔比等。我所查阅的是M2因子，根据国际标准化度量局的定义,用M2来衡量光束质量。M2=实际光束的空间束宽积÷理想光束的空间束宽积=πw0θ/4π(1)式(1)中的空间束宽积(space-beamwidthproduct)是指光束在空间域中的宽度(束腰宽度)和在空间频率域中的角谱宽度(远场发散角)的乘积。光束传输因子为K=1/M2=4λ/πw0θ(2)其中,w0为光束的束腰直径即其光斑宽度w(z)的极小值;θ为远场发散角,定义为θ=zdzwdlimz;λ为波长[3]。M2因子定义式中以理想基模高斯光束作为比较标准,这对实际工作中遇到的大多数情况是合适的。用与测不准关系类似证明可知M2≥1,对基模高斯光束M2=1,M2值越大,则光束质量越差。另外还有BPP光束参数积（BeamParameterProduct)BPP=w0×θ1.1.5其他参数光束聚焦特性，聚焦后焦点半径：Krfrfoc(3)焦点附近，光束横截面积为焦点处2倍的两个光束横截面之间的距离称为瑞利长度或焦深：Kr2fZ22Rayleigh(4)示意如图1.图1.1.2激光产生的基本原理激光的英文名称是Laser，是“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激辐射的光放大”[4]。顾名思义，它表示一种受激辐射光放大发射器，也表示受激辐射光放大发射光，简称受激光发射器或受激发射光或光激射器。下面简单介绍下激光产生的原理。1.2.1自然光的产生普通光源的发光是由于原子能级的跃迁而产生的自发辐射，其辐射光频率(或波长)与跃迁能级之间的关系可以用下式表达hE-Ev12(5)式中E2为上能级能量，E1为下能级能量，v为辐射光频率，h为普朗克常数。这些发光原子是大量独立振子，振子的自发辐射光波不是单色的，不同振子发出的光波的相位也是随机变化的,所以自然光不是单频相干光。这种由大量独立振子自发辐射产生的自然光只相当于一种光频范围的随机“噪声”，很难达到较高的相干光强。从本质上讲，自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发辐射过程。1.2.2激光的产生思路1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源[5]。那受激辐射是什么呢？如果一个粒子受到光子的作用，该光子能量为hv=E2-E1，那么有可能发生这样一种情况，处于低能级E1的粒子会跃迁到一个高能级E2上。该种变化成为受激吸收。如图2.而受激辐射是处于E2的粒子在自发辐射之前又受到一个能量为hv=E2-E1的光子作用，该粒子就会从E2跃迁到E1，并同时辐射出一个与该光子完全一样（频率，相位，传播方向，偏振方向均相同）的光子。下面提出产生激光的构想：假设在某一物质中，对应能态E2的集居数为N2，对应能态E1的集居数为N1,一个平面波对应的光子通量正沿着物质的轴向Z传播。由于受激吸收和受激辐射而产生的光子通冕的改变为dZN-NFdF12）（它表示：如果(N2-N1)0,则dF/dZ0,该物质起放大作用。如果(N2-N1)0,则物质总是起衰减做用。在热平衡条件下，各能态的集居数是按玻尔兹曼分布，即(N2-N1)0，所以物质总是以吸收为主。但如果(N2-N1)0，该物质的受激辐射作用大于受激吸收作用，该物质就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。我们把这种特殊状态称之集居数反转，指与通常状态的集居数分布不同。我们称这种具有集居数反转状态的物质为激光工作物质。只有在外界的激励或泵浦下，才能使物质处于集居数反转状态，这种激励或泵浦过程是光放大的必要条件。但对于很多物质受激辐射产生的高能态是不稳定的，这就使得该物质在受激辐射之前就可能发生了自发辐射，所以能用于激光产生的物质应当有稳定的高能态，而存在亚稳态的物质往往在亚稳态很稳定，适合产生激光。在集居数反转的状态下，光沿着工作物质的轴向Z传播，能使光子通量增加，即由于受激辐射而得到放大，这个放大过程受到工作物质的限制，显然工作物质越长，光子通量增加越多。但工作物质的长度不能无限增长，为了让有限长度的工作物质得到充分的利用，就引入两个反射镜构成谐振腔。工作物质就在腔内，光在两个反射镜间反射时，多次通过工作物质，每通过一次就放大一次，光强就增加一次:实际上，光强的增加正是由于高能态原子向低能态受激跃迁的结果。也就是说，光放大正是以集居数翻转的减少为代价的，发出的激光越强，工作物质的集居数反转就变得越小，直至不能实现光的受激辐射放大为止，这时，谐振腔内的激光振荡也就停止。由此可见，产生激光振荡的条件有两个：一是存在集居数的反转，有稳定的亚稳态;二是光在腔内往返一次增益大于生，保证能量的持续输入。只要有集居数能一直反转的工作物质就能实现光的受激辐射放大，只要加上反射镜构成谐振腔，相当于引进正反馈，就能实现激光振荡，从而输出更强的激光。所以说激光器的最基本部分应该是一个受激辐射光振荡器，或受激辐射再生放大器。二、激光焊接技术应用1．工业激光器种类及应用特点1.1CO2激光器1.1.1CO2激光器的工作介质工作介质为：CO2,N2,He混合气体，比例：6%，28%，66%；其中CO2分子负责受激辐射发射激光，N2分子负责将能量传递给CO2，He起到冷却作用，组织CO2分子升温。1.1.2CO2激光器的分类(1)根据气体流动方式分类封闭管式：工作气体在谐振腔中不流动；慢流式：工作气体在谐振腔中缓慢流动；横流式：工作气体在谐振腔中流动方式与光束传播方向垂直；轴流式：工作气体在谐振腔中流动方式与光束传播方向同轴。(2)根据激励方式分类普通直流高压激励：直流升压——高压整流(16KV);逆变直流高压激励：交流变频——低压整流——直流升压(16KV);射频激励：采用无线电波的频率激励；(3)根据谐振腔形式分类单管直腔式：光束在直线式的腔中振荡，通常用于慢流式激光器；折叠腔式：内部光路增加折叠镜，增加激光的振荡强度以提高功率；1.1.3Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生器。下面具体介绍Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生器的特点和工作原理(1)RofinDC0XX激光发生器的特点RofinDCX00系列激光发生器具有：结构紧凑、光束质量高、不需要气体冷却器、激光功率损失非常低、较高的热稳定性、气体消耗量低、不需要外部供气系统、没有气体流动，不存在谐振腔内光学元件污染问题、集成式自振荡射频发生器、可移动式激光头、维护费用低、无预热开机即可使用等特点。(2)RofinDC0XX激光发生器的工作原理1)CO2激光的激发过程主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。谐振腔上下两个极板通上高频，混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子与CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光。2)Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生工作原理CO2激光器是以二氧化碳气体作为工作介质的气体激光器。在电极板（9）之间通上高频电压激励，混合气体通过该区域时放电，（镜子3与7形成光学谐振器）被镜子3与7谐振后产生激光，波长为10.6um的中红外波段。经通道从1处射出，将激光引导到工件上，用来做焊接或切割用。如图2所示[6]。图2.1.2固体激光器1.2.1固体激光器分类(1)根据工作介质分类红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；Nd：YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；(2)根据泵浦方式分类：氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒，输出方式：脉冲；氪弧光灯泵浦：连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒上，输出方式：连续和脉冲；调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大提高（几百千瓦），脉冲宽度：100-500