激光焊接技术讲义二
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扩束镜：用来控制激光器产生的原始光束的发散程度， 将光束直径调整到聚焦光学系统所需的任意尺寸。
2、光束的转向
CO2激光器和Nd:YAG激光器的传统转向方法都是 将反射镜插入在光束的传输路径中。
3、能量的分配
4、反射镜传输 CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理
5、光纤传输 光纤传输基本原理
聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合 角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传出 时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。
光纤传输方式
光纤传输方式
多路转接器
以很高的转向频 率，依次给超过20 根的光纤提供光 源，适合“多点”或 “多工位”激光加 工。
（二）光束的聚焦
ca. 60 W 1 - 2 m/min 2 mm
CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比
工业用激光器总结
第三章 激光加工系统
一、激光加工系统的构成
激光 器控 制器
循环水冷系统
激光器
气体供给系统
CNC 控制系统
光束传输及聚焦
CNC控制 工作台
二、光束的传输与聚焦 （一）光束的传输
1、光束的扩束
1、灯泵浦Nd:YAG激光器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径 7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。
灯泵浦Nd:YAG体激光器
将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高 功率的激光束，每个独立的棒可通过透 镜引导并规则的排列起来。
振镜扫描焊接结果
半导体泵浦盘式激光
不锈钢焊接 CO2激光器与Yb:YAG盘式激光器比较
（三）半导体激光器工作原理
半导体结构内的电 子空穴复合时，可 以在非常窄、非常 薄的区域内产生几 毫瓦功率的光。
光的产生
半导体激光波长808，940，980nm。
许多这样的元件组 合起来可形成一个 “激光条”。
通常，喷嘴到工件的距离在3~10mm的范围之间，典型的喷 嘴孔直径在4~8mm之间，经常使用低气压，气体流速在 8~30L/min之间。
第四章 激光与材料相互作用基础
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的 概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所 发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效 应、气体击穿等）。
焊接效果：
优良
切割效果：
一般
表面处理:
好
运行成本:
高
CO2 10.6μm 0.5~45kW DC-5kHz TEM00-多模
0.1-0.8 15-30% 光学镜片
好 优良 好 低
2、半导体泵浦YAG激光器
低功率激光器：末端泵浦 高功率激光器：侧向、横向泵浦
1. Nd:YAG晶 体棒
2. 激光束 3. 输出镜 4. 半导体阵列 5. 后镜 6. 冷却水 7. 电源
输出功率750W，单圆片设计
热透镜效应比较
YAG棒的设计 圆盘的设计
盘式激光器的优点
半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势
较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度 光束质量高： 工作距离大 瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感
扫描焊接原理
振镜扫描焊接的控制
半导体泵浦YAG激光
扫描式焊接加工头
变焦点光学元件
三、激光加工系统分类
根据轨迹特性：二维平面轨迹系统（二轴、三轴） 三维空间轨迹系统（四轴、五轴、六轴）
根据时间特性：能分系统、时分系统
二维平面轨迹加工（切割、焊接）系统
四轴、三维空间轨迹加工系统
三维空间轨迹机器人加工系统
远距离焊接系统原理
四、工作气体
指焊接过程中作为保护或其它目的的工艺气体。
激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。
堆栈
半导体激光能量几乎是无 限的 光从一个区域发出 光从不相干的光源发出
聚焦性差 “亮度低”
进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将 这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这样的堆 栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW 。
Nd:YAG激光特性
Nd:YAG激光波长1.06μm, 可用于加工高反射率材料（如铝、 铜）
激光活性物质钕(Nd3+离子)位于钇-铝-石榴石(Y-A-G)组成的固 态晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为 片状或碟状 。
工业应用的脉冲Nd:YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出 较高的脉冲功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的 15倍。
典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每 个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度 约为600µm。
光的产生
激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部 轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。
准直
Fast –axis collimation
Slow –axis collimation
与常规激光器增加能量方法的不同之处
半导体、CO2、NdYAG激光器的比较
wenku.baidu.com
光束传播方式
附带电源的大功率半导体激光器
半导体激光加工头
不同激光器的外观
涡轮叶片激光熔覆
轴高速熔覆
扭转弹簧表面硬化
半导体激光焊接钢盒
半导体激光器焊接塑料
IR Diode Housing
Lid with push buttons
目前的Nd:YAG激光器系统多达8个 腔。输出4kW功率。
1kW的脉冲Nd:YAG激光器
CO2、YAG激光器性能比较
激光器类型：
YAG
光束波长:
1.06μm
输出功率等级：
0.1~5kW
脉冲能力：
DC-60kHz
光束模式：
多模
光束传播系数（K） ≤0.15
电-光转换效率：
3-10%
光束传输:
光学镜片或光纤
半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。
棒式半导体泵浦YAG激光器
盘式半导体泵浦YAG激光器
免调整型腔体
Yb：YAG激光器中的半导体泵浦源
Welding of an electronic key
Diode Power Welding speed Focal diameter
20 - 60 W 3 - 10 m/min 1 mm
Oil Tank
Tank Lid
Welding of an oil tank (GFK)
Diode power Welding speed Focal diameter
2、光束的转向
CO2激光器和Nd:YAG激光器的传统转向方法都是 将反射镜插入在光束的传输路径中。
3、能量的分配
4、反射镜传输 CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理
5、光纤传输 光纤传输基本原理
聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合 角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传出 时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。
光纤传输方式
光纤传输方式
多路转接器
以很高的转向频 率，依次给超过20 根的光纤提供光 源，适合“多点”或 “多工位”激光加 工。
（二）光束的聚焦
ca. 60 W 1 - 2 m/min 2 mm
CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比
工业用激光器总结
第三章 激光加工系统
一、激光加工系统的构成
激光 器控 制器
循环水冷系统
激光器
气体供给系统
CNC 控制系统
光束传输及聚焦
CNC控制 工作台
二、光束的传输与聚焦 （一）光束的传输
1、光束的扩束
1、灯泵浦Nd:YAG激光器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径 7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。
灯泵浦Nd:YAG体激光器
将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高 功率的激光束，每个独立的棒可通过透 镜引导并规则的排列起来。
振镜扫描焊接结果
半导体泵浦盘式激光
不锈钢焊接 CO2激光器与Yb:YAG盘式激光器比较
（三）半导体激光器工作原理
半导体结构内的电 子空穴复合时，可 以在非常窄、非常 薄的区域内产生几 毫瓦功率的光。
光的产生
半导体激光波长808，940，980nm。
许多这样的元件组 合起来可形成一个 “激光条”。
通常，喷嘴到工件的距离在3~10mm的范围之间，典型的喷 嘴孔直径在4~8mm之间，经常使用低气压，气体流速在 8~30L/min之间。
第四章 激光与材料相互作用基础
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的 概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所 发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效 应、气体击穿等）。
焊接效果：
优良
切割效果：
一般
表面处理:
好
运行成本:
高
CO2 10.6μm 0.5~45kW DC-5kHz TEM00-多模
0.1-0.8 15-30% 光学镜片
好 优良 好 低
2、半导体泵浦YAG激光器
低功率激光器：末端泵浦 高功率激光器：侧向、横向泵浦
1. Nd:YAG晶 体棒
2. 激光束 3. 输出镜 4. 半导体阵列 5. 后镜 6. 冷却水 7. 电源
输出功率750W，单圆片设计
热透镜效应比较
YAG棒的设计 圆盘的设计
盘式激光器的优点
半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势
较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度 光束质量高： 工作距离大 瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感
扫描焊接原理
振镜扫描焊接的控制
半导体泵浦YAG激光
扫描式焊接加工头
变焦点光学元件
三、激光加工系统分类
根据轨迹特性：二维平面轨迹系统（二轴、三轴） 三维空间轨迹系统（四轴、五轴、六轴）
根据时间特性：能分系统、时分系统
二维平面轨迹加工（切割、焊接）系统
四轴、三维空间轨迹加工系统
三维空间轨迹机器人加工系统
远距离焊接系统原理
四、工作气体
指焊接过程中作为保护或其它目的的工艺气体。
激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。
堆栈
半导体激光能量几乎是无 限的 光从一个区域发出 光从不相干的光源发出
聚焦性差 “亮度低”
进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将 这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这样的堆 栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW 。
Nd:YAG激光特性
Nd:YAG激光波长1.06μm, 可用于加工高反射率材料（如铝、 铜）
激光活性物质钕(Nd3+离子)位于钇-铝-石榴石(Y-A-G)组成的固 态晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为 片状或碟状 。
工业应用的脉冲Nd:YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出 较高的脉冲功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的 15倍。
典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每 个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度 约为600µm。
光的产生
激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部 轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。
准直
Fast –axis collimation
Slow –axis collimation
与常规激光器增加能量方法的不同之处
半导体、CO2、NdYAG激光器的比较
wenku.baidu.com
光束传播方式
附带电源的大功率半导体激光器
半导体激光加工头
不同激光器的外观
涡轮叶片激光熔覆
轴高速熔覆
扭转弹簧表面硬化
半导体激光焊接钢盒
半导体激光器焊接塑料
IR Diode Housing
Lid with push buttons
目前的Nd:YAG激光器系统多达8个 腔。输出4kW功率。
1kW的脉冲Nd:YAG激光器
CO2、YAG激光器性能比较
激光器类型：
YAG
光束波长:
1.06μm
输出功率等级：
0.1~5kW
脉冲能力：
DC-60kHz
光束模式：
多模
光束传播系数（K） ≤0.15
电-光转换效率：
3-10%
光束传输:
光学镜片或光纤
半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。
棒式半导体泵浦YAG激光器
盘式半导体泵浦YAG激光器
免调整型腔体
Yb：YAG激光器中的半导体泵浦源
Welding of an electronic key
Diode Power Welding speed Focal diameter
20 - 60 W 3 - 10 m/min 1 mm
Oil Tank
Tank Lid
Welding of an oil tank (GFK)
Diode power Welding speed Focal diameter