激光氙灯(简述激光焊接激光器类型特点和工作原理「激光焊接篇」)

Posted 2023-06-01

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激光氙灯(简述激光焊接激光器类型特点和工作原理「激光焊接篇」)

目前市场上用于焊接领域的激光器主要有两种：CO2 气体激光器和YAG固相激光器（掺钕钇铝石榴石激光器）。这里分别做简单介绍，以供大家参考和理解。

首先了解两种激光器的基本特点：

我们都知道，不论是CO2 气体激光器，还是YAG固相激光器产生的激光都是肉眼不可见的红外光，两种不同激光器具有不同的特点，具体如下：

1）波长不同

YAG 固相激光器产生的光束主要是近红外光，波长为1. 06 微米, 热导体对这种波长的光吸收率较高，大部分金属反射率为20% ~ 30%。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0. 25 mm。

CO2 气体激光器产生的光束主要为远红外光，波长为10. 6微米, 大部分金属对这种光的反射率达到80% ~ 90%，需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0. 75 - 0. 1 mm。

2）功率不同

YAG 固相激光器产生的光束功率一般能达到4 000~ 6 000W左右, 现在最大功率已达到10 000W。

CO2 气体激光器产生的光束功率却能轻易达到20 000W甚至更大。

3）发射模式不同

YAG 固相激光器产生的光束发射模式通常是脉冲式的，用于脉冲激光焊接，一般是脉冲激光焊机。
脉冲YAG激光焊机主要用于1mm厚度以内薄壁金属材料的点焊和缝焊，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，再通过热传导向材料内部扩散，通过控制激光脉冲的波形、宽度、峰值功率和重复频率等参数，使工件之间形成良好的连接。

CO2 气体激光器产生的光束发射模式通常是连续式的，用于连续激光焊接，一般是连续激光焊机。
连续CO2 激光焊机大部分都是高功率激光器，功率在500瓦以上，一般1mm以上的板材都应该使用这种激光器。其焊接机理是基于小孔效应的深熔焊，深宽比大，可达到5：1以上，焊接速度快，热变形小。

4）应用场景不同

脉冲YAG激光焊机在3 C产品外壳、锂电池、电子元器件、模具补焊等行业有着大量的应用，最大的优点是工件整体温升很小，热影响范围小，工件变形小。

连续CO2 激光在机械、汽车、船舶等行业有着广泛的应用，还有一部分小功率连续激光器，功率在几十到几百瓦之间，在塑料焊接及激光钎焊行业使用得较多。

然后说两种激光器的工作原理

1）YAG 固相激光器的工作原理

激光电源首先把脉冲氙灯点着，通过激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率，一定脉宽的光波，该光波经过聚光腔辐射到Nd 3+：YAG激光晶体上，激发Nd 3+：YAG激光晶体发光，再经过激光谐振腔谐振之后，发出波长为1.064微米的脉冲激光。

该脉冲激光经过扩束、反射、（或经光纤传输）聚焦后打在所要焊接的物体上，然后在PLC或工业PC机的控制下，移动数控工作台，从而完成焊接。

焊接时所需要的脉冲激光的频率、脉宽、波形、工作台速度、移动方向均可用单片机、PLC或工业PC机来控制，通过对激光的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。

2）CO2 气体激光器的工作原理

CO2激光器工作原理，其受激发射过程比较复杂，同其他分子激光器一样，分子有三种不相同的运动，一是分子里的电子运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子盘绕其平衡位置不停地作周期性振动，并选择于分子的振动能态；三是分子翻滚，即分子为一全体在空间接连地旋转，抉择了分子的翻滚能态。分子运动极端复杂，因此能级也比较复杂。

CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两头，表明原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，绕其平衡位置不停振动。

依据分子振动理论，CO2有三种不同振动办法：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中一起抵达振动最大值和平衡值，此时分子中的碳原子静止不动，其振动叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。因为三个原子的振动同步，又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动，其间碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。三种不相同的振动办法确定了不同组别的能级。

CO2激光器的激发过程：CO2 激光器的主要工作物质是CO2、He、N2等组成的混合气体，激光由CO2分子发射，其它作为辅助气体改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。

总体来说，CO2 气体激光器和YAG 固相激光器是目前市场上用于焊接领域最重要的两种激光器，了解其基本原理和使用特点为以后工作和应用中提供一定的参考。