500W連續(xù)固體激光器研制及其焊接工藝性能研究.pdf

1、采用氪燈泵浦的連續(xù)Nd:YAG 固體激光器自問世以來，以其結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定、壽命長和成本低的優(yōu)勢，在材料加工及科研領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。但其單泵浦腔激光輸出功率的提高仍然是相關(guān)專家追求的目標。
　　 基于材料激光焊接技術(shù)的要求，本課題設(shè)計并研制了輸出功率大于500W的連續(xù)Nd:YAG 固體激光器，測試了其技術(shù)性能指標，研究了其對于碳鋼和不銹鋼的焊接工藝性能。主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 1.分析了連續(xù)Nd:YAG

2、 固體激光器工作晶體中泵浦躍遷過程的能級結(jié)構(gòu)，論述Nd:YAG 晶體棒材料物理及化學特性。在空間相關(guān)的四能級速率方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)連續(xù)Nd:YAG 固體激光器工作的閾值條件及輸出功率的數(shù)學表達式，計算出激光器的理論輸出功率。
　　 2. 依據(jù)焊接技術(shù)要求，完成了激光器焊接系統(tǒng)及裝配箱體的優(yōu)化設(shè)計。
　　 對激光器的箱體進行運動仿真模擬，所設(shè)計的箱體微量變形不會影響連續(xù)Nd:YAG 固體激光器工作穩(wěn)定性。同時，完成了連續(xù)N

3、d:YAG 固體激光器系統(tǒng)的其它輔助設(shè)備如：泵浦燈、準直器、內(nèi)循環(huán)恒溫水冷機與外循環(huán)恒溫水冷機等的選擇及優(yōu)化。
　　 3.在500W 輸出功率分析計算的基礎(chǔ)上，完成了連續(xù)Nd:YAG 固體激光器主要部件選擇、設(shè)計和制造，包括諧振腔、泵浦腔和擴束系統(tǒng)。諧振腔采用平行平面腔結(jié)構(gòu)，選擇對稱相等的腔長，長度為140mm，試驗得出反射輸出鏡片透過率為40[％]最佳。泵浦腔選擇為不規(guī)則的雙橢圓腔結(jié)構(gòu)，計算所得泵浦腔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率約為3.6[％

4、]。擴束系統(tǒng)擴束比為3，研究了其能量消耗的影響因素，最高功率消耗不超過5.6[％]。
　　 4.對所研制的連續(xù)Nd:YAG 固體激光器的技術(shù)性能指標進行了測試。
　　 輸出光束波長1064nm，最大輸出功率不低于500W，且在0～500W 范圍內(nèi)可調(diào)，功率不穩(wěn)定度小于±5[％]，激光光束質(zhì)量k ≤16 mm·mrad，光束發(fā)散角小于4 mrad，光斑直徑d小于2mm，最小光斑直徑為0.5mm，激光器斜率效率穩(wěn)定在4.5[

5、％]。
　　 5. 選擇常用的碳鋼和不銹鋼材料，對所研制的連續(xù)Nd:YAG 固體激光器焊性工藝性能進行了研究。在激光器輸出功率為500W，焊接速度為1mm/s時，Q235碳鋼板自熔焊的最大熔深為1.46mm，深寬比為0.81，304不銹鋼板自熔焊的最大熔深為1.5mm，深寬比為1.25。
　　 6. 利用所研制的連續(xù)固體激光器對1.5mm 厚的304 不銹鋼進行對接焊接，對焊接頭成型良好，表面有金屬光澤，熱影響區(qū)窄，焊縫