每个激光脉冲功率有变化的尤其用于焊接的脉冲激光加工方法和设备技术

本发明专利技术涉及每个激光脉冲功率有变化的尤其用于焊接的脉冲激光加工方法和设备。该激光加工方法包括以下步骤：A)利用激光源产生由一系列激光脉冲（10）形成的初始波长为700-1200纳米的激光束；B)利用非线性晶体使所述激光束的一部分（12）的频率加倍；C)改变每个所发射激光脉冲（10）期间的功率，使得功率分布图在这个激光脉冲的周期内，在初始子周期（T1）中含有最大峰值功率或者含有具有最大功率的脉冲部分，在持续时间比初始子周期更长的第二中间子周期（T2）中，在整个该中间子周期，具有低于所述最大功率的功率。该激光的功率以如下方式变化：最大功率值至少是激光脉冲整个周期内的平均功率的两倍，从每个激光脉冲的开始增大到所述最大功率的时间少于0.3毫秒。该加工方法尤其涉及焊接高反射金属，例如铜、金、银或包括这些金属之一的合金。本发明专利技术还涉及用于实施上述方法的激光加工设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及激光焊接领域，尤其是高反射材料的激光焊接，所述高反射材料例如为铜、金、银、铝和包括这些金属之一的合金。更具体而言，本专利技术涉及一种激光焊接方法和用于实施所述方法的设备，其中相干光源产生波长为700-1200纳米的激光束，例如Nd =YAG激光器或光纤激光器。提供非线性晶体以使激光束的频率部分加倍，从而提高加工效率。
技术介绍
美国专利N0.5083007公开了一种激光焊接设备，包括:Nd:YAG激光源，利用闪光灯对其进行光学泵浦，产生波长为1064纳米(nm)的相干光；以及布置于谐振腔中的非线性晶体(例如LiNbO3或KTP)，所述晶体使激光源产生的光频率部分加倍。在谐振腔的输出处，于是有两个波长，即1064nm (红外光)和532nm (绿光)形成的激光束。本文提出产生一种脉冲激光束，至少3%波长介于350和600nm之间的光由2F频率转换器产生。优选地，激光脉冲至少有30MJ能量，至少3MJ来自倍频光。脉冲的持续时间设置于0.5毫秒(ms)和5.0ms之间。美国专利N0.5083007实质上公开了激光焊接设备的三个实施例。第一实施例(图1)中，产生瞬时功率较低的激光束以避免损伤非线性晶体，以便利用腔内布置的晶体获得5%和15%百分比的绿光。为了增大绿光的这种百分比，任选地提供红外反射器，其过滤一部分红外光。在第二实施例中，在谐振腔输出处选择几乎不反射绿光的镜子，这增加了激光脉冲中绿光的量。这里将要指出，红外光和绿光之间的比例是固定的。在第三实施例中，为了能够调节激光束中这两种辐射之间的比例，可以分开这两种辐射并随后由滤波器对其独立进行衰减。这样能够改变两种辐射之间的比例，同时减少针对给定发射功率入射在材料上的激光功率。因此减小流动激光系统的效率。此外，将要指出，这种方法能够在两次不同的焊接操作之间改变绿光和红外光之间的比例，因此必须要改变至少一个衰减器滤波器，以修改所述比例。在美国专利N0.5083007中给出的所有实施例中，布置激光脉冲以通过开/关闪光灯来形成。如该文献的图2所示，这获得了脉冲，其中，一旦打开泵浦装置，功率分布图就呈现出指数式增加，直到泵浦装置保持活动时维持的最高水平，即，在整个脉冲主体内，其持续时间都与脉冲的周期相关，然后一旦关掉光泵浦装置，功率就以指数形式下降。因此在每个脉冲期间没有功率分布图的管理或控制。除了两端之外，功率都维持在最大值，其中分布图仅取决于激光源和光泵浦装置的物理特性。因此，在每个脉冲的大部分时间内绿光和红外光之间的比例保持基本恒定。这会导致一个问题，尤其对于高反射金属而言。实际上，2F晶体的转换速率随着入射激光束的强度而增大。美国专利N0.5083007中提出的激光束通过在低水平(OFF)和高水平(ON)之间调制光泵浦功率来供应脉冲。为了增大这种激光器产生的脉冲中绿光功率，必须要增大泵浦装置的功率。增大绿光在脉冲中的比例和量还增大了红外光的量，在任何情况下都增大了每个脉冲的能量总量。观测发现，这导致所形成焊接的质量问题，因为，如果绿光在材料中的初始耦合更好，一旦焊接材料的局部温度显著升高，红外能量也得到很好吸收。这然后会导致过渡能量密度的吸收以及出现破坏性二次热效应，例如形成等离子体和向材料表面外部喷出熔化材料。不过，如果减小脉冲激光的功率以限制每个脉冲吸收的红外光的量，所功率的绿光能量的比例和量减小，焊接效率降低。此外，给定焊接的可再现性变得非常依赖于被焊接材料的表面状态。控制所形成焊接的质量变得复杂而困难。
技术实现思路
图1大致示出了根据每种金属上入射激光波长在基本环境温度下四种高反射金属(铜、金、银和铝)的吸收系数。对于Nd:YAG激光器产生的辐射，即1064nm波长，尤其对于铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)观测到非常低的光吸收率。相反，在该频率的二倍(即在532nm)处，对于铜和金观测到吸收率大大增加到约20% (在环境温度)。一旦温度升高，这个比率能够升高到约40%。这解释了上述现有技术中提出的混合光束为什么提高了焊接的效率。不过，将要指出，这里给出的百分比是例示性的，因为它们还取决于其他参数，例如金属的表面状态。不过，对于红外光，在金属的表面温度升高时，图1中所示的状况显著改变，在这个温度达到熔化温度时，有显著的跳跃，如图2中针对铜大致所示那样。对于从Nd-YAG(Ium)激光器入射的红外光，观测到从环境温度下小于5%的吸收系数到接近熔化温度TM时大约10%的变化。在熔化温度下，这个系数变得高于15%，然后随着熔化金属的温度升高而继续增大。这种观测提供了现有技术中观察到的问题的解释。通过增大激光装置的功率以在初始焊接阶段中有更多能量耦合到金属，现有技术在脉冲的整个周期中增大红外光功率，一旦材料的表面温度升高，就吸收得越来越多；这实际上发生得很快。初始焊接效率增大，但最终吸收的能量总量变得过大，导致对焊接质量不利，特别是对焊接后的表面状态不利的二次问题。本专利技术的目的是通过如下方式在本专利技术的范围之内克服上文强调的问题:为激光器装备控制装置，该控制装置设置成形成激光脉冲，在每个激光脉冲的周期上具有这样的功率分布:在初始子周期中，具有最大功率峰或脉冲的一部分具有最大功率峰，在持续时间大于初始子周期且紧随其后的中间子周期中，贯穿整个中间子周期，具有低于所述最大功率的功率。最大功率的值为激光脉冲整个周期的平均功率的至少两倍。此外，从激光脉冲的开始增加到最大功率的时间或持续时间设置成少于300 μ S，优选少于100 μ S。特别地，初始子周期的持续时间少于两毫秒(2ms)，更优选少于1ms。激光脉冲优选结束于结束子周期中，在结束子周期中功率迅速降低，优选以受控方式降低，以优化焊接的冷却。因此，本专利技术涉及如附于本说明书之后的权利要求1所述的激光加工方法。在从属于权利要求1的权利要求中给出了这种方法的特定特征。本专利技术还涉及权利要求13所述的激光加工设备。在从属于权利要求13的权利要求中给出了这种设备和其控制装置的特定特征。由于本专利技术的特征，这些特征引入在每个激光脉冲期间对所发射的光功率的控制并定义在脉冲初始阶段功率较高且这个初始阶段之后功率降低的功率分布，所以在初始阶段中获得很大量的倍频光，然后，在被加工材料的表面温度升高之后激光源初始频率光的吸收充分增大时，显著减小发射的光功率，以限制吸收的能量的量并优选在时间上控制激光脉冲中间阶段期间吸收的光功率。 将要指出，对每个激光脉冲在第一阶段中的功率分布的控制特别设置成优化倍频光的产生，在被焊接材料温度最初低于其熔化温度的这个初始阶段中倍频光比单频光吸收得更好。于是，最大功率设置成迅速增大，从而迅速获得足以迅速加热焊接材料的倍频光功率。根据本专利技术，增加到最大功率的时间或持续时间少于300 μ s(0.3ms)，优选少于100 μ s(0.1ms)。初始峰值的最大功率必须足以通过最优方式将倍频光能量耦合到材料，但不能过高，因为在良好的期望转化率下，倍频光的量可能变大，甚至占支配地位。相反，在下一阶段期间，发射到材料的能量实质上由单频光控制以执行焊接。在这一后续阶段中，功率减小，转换成倍频光的功率仅处于次要甚至无关紧要的地位。初始阶段中的功率峰值产生一种初始倍频脉冲，继之以单频脉冲。因此在每个产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工方法，包括以下步骤： A)利用激光源（30；80，82）产生由一系列激光脉冲（10）形成的波长为700‑1200纳米的激光束； B)利用非线性晶体使所述激光束的一部分（12）的频率加倍； 其特征在于如下步骤 C)改变每个激光脉冲期间发射的光功率，使得在所述激光脉冲的整个周期内，所述初始波长的功率分布在初始子周期（T1）中具有拥有最大功率的功率峰值或者拥有最大功率的脉冲部分，在持续时间比所述初始子周期更长且发生于其后的中间子周期（T2）中，贯穿整个中间子周期，具有低于所述最大功率的功率，所述最大功率的值为所述激光脉冲的整个周期内的平均功率的至少两倍，且从每个激光脉冲的开始到所述最大功率的增加时间少于0.3毫秒（300μs）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·迪尔，C·鲁提曼，B·弗赖，
申请(专利权)人：罗芬拉萨格股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH