特种焊接技术PPT课件1-7激光器

激光焊技术特种焊接技术课程系列之 激激 光光 器器 激光器激光器激光器的基本组成激光器的发展焊接用激光器 激激 光光 器器 激光器的基本组成通常由工作物质（即被激励后能产生粒子数反转的工作介质）、激励源（能使工作物质发生粒子数反转的能源，又叫泵浦源）、光学谐振腔三部分组成。激激 光光 器器 激光器的基本组成工作物质工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子系统并且具备压稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。激励源激励源：即泵浦源，给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态，形成粒子数反转。光学谐振腔光学谐振腔：机制给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并且限制光束的方向和频率。激激 光光 器器 激光器的发展从激光加工技术的发展历史来看，首先出现的激光器首先出现的激光器是在20世纪70年代中期的封离型CO2激光器，发展至今，已经出现了第五代 CO2激光器扩散冷却型CO2激光器。早期激光加工用激光器早期激光加工用激光器主要是大功率CO2气体激光器和灯泵浦固体YAG激光器。激激 光光 器器 激光器的发展早期CO2激光器趋向激光功率提高的方向发展，但当激光功率达到一定要求后，激光器的光束质量受到重视，激光器的发展随之转移到提高光束质量上。CO2激光器发展状况激光器类型封离式慢速轴流横流快速轴流涡轮风机快速轴流扩散型SLAB出 现 年 代20世纪70年代中期20世纪80年代早期20世纪80年代中期20世纪80年代后期20世纪90年代早期20世纪90年代中期目前功率/W5001000200005000100005000光 束质 量M2 因子不稳定1.51052.51.2Kf因子/mmmrad不稳定5351794.5 激激 光光 器器 激光器的发展早期的YAG激光器采用灯泵浦方式，存在激光效率低(约为3%)、光束质量差等问题，随着激光技术的不断进步，YAG固体激光器不断取得进展，出现了许多新型激光器。YAG激光器发展状况激光器类型灯泵浦固体 半导体泵浦光纤泵浦片状DISC固体半导体端面泵浦光纤激光器出 现 年 代20世纪80年代20世纪80年代末期20世纪90年代中期20世纪90年代中期20世纪90年代末期21世纪功率/W6000440020004000（样机）20010000光 束质 量M2 因子70353571.170Kf因/mmmrad2512122.50.3525 激激 光光 器器 激光器的发展半导体激光器和光纤激光器的发展21世纪初，出现了另外一种新型激光器半导体激光器。与CO2、YAG固体激光器相比，具有很明显的技术优势，如体积小、重量轻、效率高、能耗小、寿命长以及金属对半导体激光吸收高等优点。随着半导体激光技术的不断发展，以半导体激光器为基础的其他固体激光器，如光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、片状激光器等发展也十分迅速。其中，光纤激光器发展较快，尤其是稀土掺杂的光纤激光器，已经在光纤通信、光纤传感、激光材料处理等领域获得了广泛应用。激激 光光 器器 激光器的发展第一台红宝石激光器于1960年研制成功 激激 光光 器器 激光器的发展TruFlow CO2激光器TruFiber 单模光纤激光器 激激 光光 器器 激光器的发展YAG激光器 激激 光光 器器 激光器的发展TruMicro 系列短脉冲和超短脉冲激光器TruDiode 直接半导体激光器 激激 光光 器器 焊接用激光器焊接用的激光器主要是固体激光器和CO2气体激光器。TruPulse 系列脉冲固体激光器美国大通CO2激光器 激激 光光 器器 焊接用激光器固体激光器固体激光器 在固体激光器中，常见的有红宝石、钕玻璃（grass contained neodymium）、钨酸钙（calcium tungstate）、钇铝柘榴石激光器。这一类激光器的特点是输出功率高，体积小，结构牢固。缺点是光的相干性与稳定性差（不如气体激光器）。激激 光光 器器 焊接用激光器固体激光器固体激光器固体激光器根据不同的用途，有不同的工作方式，一般可分为三种：脉冲激光器单次发射，每个激光脉冲的宽度为零点几毫秒至几十毫秒，每完成一次任务仅有一个脉冲。重复频率激光器这种激光器每秒可以产生几个到几十个脉冲，每完成一个任务需要几个脉冲。连续激光器可以长时间稳定的输出激光连续使用。激激 光光 器器 焊接用激光器激光焊用激光焊用YAGYAG固体激光器固体激光器工作物质为掺钕的钇铝石榴石晶体，平均输出功率为0.33kW，最大功率可达4kW。YAG激光器可在连续或脉冲状态下工作，也可以在Q开关状态下工作。三种输出方式的YAG激光器特点见下表。输出方式 平均功率/kW峰值功率/kW脉冲持续时间 脉冲重复频率脉冲能量/J连续0.34 脉冲4500.220ms1500Hz100Q-开关41001s100kHz10-3 激激 光光 器器 焊接用激光器YAGYAG激激光器激光器激光原理光原理 激激 光光 器器 焊接用激光器YAG激光器结构图 激激 光光 器器 焊接用激光器脉冲纳秒Nd:YAG激光器泵浦Nd:YAG激光器 激激 光光 器器 焊接用激光器激光焊用激光焊用YAGYAG激光器特点激光器特点1.YAG激光器输出的波长为1.06m，是CO2激光器的1/10。波长较短有利于激光的聚焦，也有利于金属表面吸收。2.YAG激光器产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。3.YAG激光器需采用光泵，而且泵灯使用寿命较短，需经常更换。YAG激光器一般输出多模光束，模式不规则，发散角大。激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2激光器激光器目前工业应用中数量最大、应用最广泛的一种激光器。CO2激光器工作气体的主要成分是CO2、N N2 2 和He。COCO2 2分子作用分子作用是产生激光的粒子。N N2 2分子的作用分子的作用是与CO2共振交换能量，使CO2分子激励，增加激光较高能级上的CO2分子数，同时它还有抽空激光较低能量级的作用，即加速CO2分子的驰豫过程。HeHe气的主要作用气的主要作用是抽空激光较低能级的粒子，He气分子与CO2分子相互碰撞，使CO2分子从激光较低能级尽快回到基极。He气的导热性能好，能把激光器工作时气体中的热量传给管壁或者热交换器，使激光器的输出功率和效率大大的提高。激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2 激光器激光器 激发过程激发过程CO2 激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十毫安或几百毫安的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的 N2 分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的N2分子便和 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发出激光。激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2激光器激光器输出功率范围大输出功率范围大，最小输出数毫瓦，最大可输出几百千瓦的连续激光功率。理论转换功率为40%，实际应用中其电光转换效率也可达到15%，能量转换效率高于能量转换效率高于固体激光器固体激光器。波长为波长为10.610.6m m，属于红外光，可在空气中传播很远而衰减在空气中传播很远而衰减很小很小。在医疗、通信、材料加工、武器装备等诸多领域广泛应用。激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2激激光光器器结结构构：由由激激光光管管、光光学学谐谐振振腔腔、电电源源及及泵泵浦浦三三部部分组成分组成CO2激光器一般结构 激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2激光器激光器COCO2 2激光管激光管CO2激光反射镜片CO2激光扩束镜 激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2激光器激光器根据结构形式不同，可将热加工中应用的CO2激光器分为4种类型：密闭式、横流式、轴流式和板条式。密闭式CO2激光器：其主体结构由玻璃管制成，放电管中充以CO2、N2和He的混合气体，在电极间加上直流高压电，通过混合气体辉光放电，激励CO2分子产生激光，从窗口输出。为了得到较大的功率，常把多节放电管串连或并联使用。密闭式CO2激光器 激激 光光 器器 焊接用激光器COCO2 2 激光管激光管CO2激光管 激激 光光 器器 焊接用激光器武汉大族 多模横流CO2激光器横流式CO2激光器示意图1-平板式阳极 2-折叠镜 3-后腔镜 4-阴极 5-放电区 6-密封壳体 7-输出反射镜 8-高速风机 9-气流方向 10-热交换器横流式CO2激光器：混合气体通过放电区流动，气体直接与换热器进行热交换，因而冷却效果好，允许输入大的电功率，每米放电管的输出功率可达23kW。激激 光光 器器 焊接用激光器神久SJL大功率CO2轴快流激光器快速轴流式CO2激光器示意图1-后腔镜 2-高压放电区 3-输出镜 4-放电管 5-高速风机 6-热交换器快速轴流式CO2激光器：主要特点是气体的流动方向和放电方向与激光束同轴。气体在放电管中以接近声速的速度流动，速度约为150m/s，每米放电管长度上可输出0.52kW的激光功率。激激 光光 器器 焊接用激光器密闭式CO2激光器高功率轴快流CO2激光器 激激 光光 器器 焊接用激光器射频板条式CO2激光器板条式CO2激光器结构示意图1-激光束 2-光束整形器 3-输出键 4-冷却水 5-射频激励6-冷却水 7-后腔镜 8-射频激励放电 9-波导电极板条式CO2激光器：主要特点是光束质量好、消耗气体少、运行可靠、免维护、运行费用低。目前，板条式CO2激光器的输出功率已达3.5kW。激激 光光 器器 焊接用激光器焊接用激光器的特点激光器波长m工作方式重复频率/Hz输出功率或能量范围主要用途红宝石激光器0.69脉冲011100J点焊、打孔钕玻璃激光器1.06脉冲0101100J点焊、打孔YAG激光器1.06脉冲连续04001100J02kW点焊、打孔焊接、切割、表面处理封闭式CO2激光器10.6连续-01kW焊接、切割、表面处理横流式CO2激光器10.6连续-025kW焊接、表面处理快速轴流式CO2激光器10.6连续脉冲0500006kW焊接、切割 33 Thank You