ЛАЗЕРНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ СВАРКИ ВЫСОКООТРАЖАЮЩИХ ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области прецизионной лазерной сварки высокоотражающих инфракрасное излучение металлических деталей из таких материалов как медь, серебро, золото, алюминий или их соединений, в частности к установкам, содержащим импульсные лазеры для выполнения такой сварки с использованием импульсов излучения разных длин волн в определенной временной последовательности.
Лазерная сварка, резка и подготовка поверхностей все более широко используются в индустрии в последние годы благодаря возможностям этой технологии в высокоточной, высокоскоростной и экологически чистой обработке изделий из самых различных материалов. Стремительное развитие микроминиатюризации электронной техники приводит к тому, что традиционные способы лазерной сварки соединений и контактов из меди, серебра или золота не удовлетворяют современных производителей по ряду причин, среди которых малые размеры соединений и контактов (0,02…1 мм), сильные различия в толщине свариваемых контактных соединений (от 0,01 мм до нескольких мм), необходимость предварительной очистки поверхностей свариваемых изделий. Излучение лазера на кристалле алюмоиттриевого граната с неодимом (Nd:YAG) с длиной волны 1064 нм традиционно широко используется для вышеперечисленных задач, однако при сварке наиболее распространенных материалов, таких как медь, серебро, золото, алюминий или их соединений, которые к тому же подвержены достаточно сильному окислению (за исключением золота), возникают большие проблемы, связанные с низким коэффициентом поглощения излучения на рабочей длине волны 1 мкм (5,6% для чистой неполированной меди [1, 2] и примерно в два раза меньше для полированной).
Для повышения эффективности лазерной сварки таких соединений необходимо увеличить коэффициент поглощения излучения материалом. Одним из решений этой проблемы является использование излучения на длине волны 532 нм, которая является второй гармоникой излучения того же Nd:YAG лазера и имеет более высокий коэффициент поглощения (57,6% для чистой неполированной меди [1, 2]). Предложены различные варианты схем использования излучения на длине волны 532 нм для лазерной сварки, либо в комбинации с основным излучением Nd:YAG лазера 1064 нм [3…10], либо независимо от него [11…13].
Реализованная на практике лазерная установка для сварки, описанная в заявке на патент [4], представляет собой твердотельный импульсный Nd: YAG лазер с программируемой формой импульса излучения на длине волны 1064 нм и узлом генерации второй гармоники (ГВГ), расположенным вне резонатора лазера. Форма импульса 1064 нм выбирается такой, что первые 2 мс или менее лазер генерирует максимально высокую импульсную мощность излучения 1064 нм, необходимую для эффективного преобразования (до 20% с дополнительной фокусировкой) во вторую гармонику излучения с длиной волны 532 нм. Излучение 532 нм используется в этот начальный период времени для более эффективного нагрева поверхности свариваемого материала до точки плавления благодаря высокому коэффициенту поглощения излучения на данной длине волны. При достижении поверхностью меди температуры плавления она начинает эффективно поглощать излучение на длине волны 1 мкм, т.к. коэффициент поглощения увеличивается в несколько раз [2] и необходимость дальнейшего использования излучения второй гармоники отпадает. Поэтому, начиная с момента плавления, импульсную мощность излучения 1064 нм уменьшают (в два и более раз) до уровня, необходимого только для поддержания поверхности меди в расплавленном состоянии. Импульсная мощность излучения 532 нм падает при этом в четыре и более раз, т.к. эффективность преобразования во вторую гармонику зависит нелинейно от мощности основного излучения. В результате, излучение 532 нм не играет существенной роли в процессе сварки после начала плавления материала из-за относительно низкой мощности по сравнению с основным излучением 1064 нм. Прибор, работающий по описанной выше технологии, был презентован в 2011 г. известной швейцарской фирмой Rofin-Lasag [5]. Основным принципиальным недостатком представленной модели является взаимозависимость каналов второй гармоники 532 нм и основного излучения 1064 нм. Они в принципе не могут быть разделены полностью как по мощности, так и во времени, т.к. излучение на обеих длинах волн возникает с использованием одного лазера, а узел ГВГ расположен при этом вне резонатора. Аналогичный недостаток имеют и более ранние модели, описанные в [3, 7, 8], которые вообще не обладают возможностями программирования параметров импульса излучения и, соответственно, регулировки относительной мощности излучения в каналах 532 нм и 1064 нм изменением мощности накачки. Использование поляризационного вывода излучения в этих моделях позволяет разделить пучки 532 нм и 1064 нм в пространстве и осуществлять регулировку их мощности независимо с помощью оптических аттенюаторов, что не представляется удобным на практике.
Модели лазерных установок для сварки, описанные в патентах [6], [7], [9], [10], обладают возможностями независимой регулировки мощности и временного положения импульсов 532 нм и 1064 нм, т.к. они формируются фактически в двух независимых лазерах (раздельные резонаторы и блоки питания). Однако такое разделение приводит также и к раздельному выводу излучения каждого канала по своему волоконному кабелю. Выходящие из кабелей пучки излучения, соединяются в один пучок в фокусирующей системе, что значительно усложняет ее конструкцию.
Модели лазерных установок для сварки, описанные в патентах [11…13], представляют собой импульсные Nd:YAG лазеры с узлами ГВГ, установленными внутри резонатора лазера, что обеспечивает в принципе более высокую эффективность преобразования по сравнению с внерезонаторной ГВГ в течение всего импульса излучения. Основную роль в процессе сварки в данных моделях играет излучение второй гармоники 532 нм. Однако для достижения достаточно высокой плотности мощности излучения, необходимой для эффективного процесса ГВГ, в данных моделях используется дополнительная фокусировка излучения с помощью линз, расположенных внутри резонатора, что делает внутрирезонаторную ГВГ без использования модуляции добротности резонатора недостаточно надежной сточки зрения возможных пробоев и повреждений оптических компонентов лазера.
Следует отметить, что лазеры, генерирующие излучение второй гармоники и описанные в патентах [6, 7, 9,10], как части лазерных установок для сварки, по своему принципу действия аналогичны таковым, описанным в патентах [11÷13]. В большинстве предложенных моделей используется метод внутрирезонаторной ГВГ с дополнительной фокусировкой излучения и без использования модуляции добротности резонатора. В патенте [9] фокусировка в узле ГВГ не используется, что, безусловно, повышает надежность и упрощает конструкцию, но не позволяет достичь высокой эффективности преобразования во вторую гармонику.
Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка лазерной сварки, описанная в патенте [6]. Особенностями данной модели являются полная независимость обеих каналов излучения 532 нм и 1064 нм, а также использование модуляции добротности резонатора с помощью акустооптического затвора с целью повышения эффективности при внерезонаторной генерации второй гармоники. Полная независимость каналов 532 нм и 1064 нм обеспечивается в данной модели наличием двух лазеров, т.е. двух отдельных резонаторов для генерации основной и второй гармоник излучения, а также двух независимых блоков питания ламп накачки, управляемых единым контроллером. Однако вывод излучения в данной модели реализован также раздельно, как и в ранее описанных патентах. Один канал вообще не имеет волоконно-оптического выхода и поэтому фокусировка излучения идет с помощью поворотного зеркала, встроенного в объектив, фокусирующий излучение на объект сварки. Второй канал имеет волоконный выход, который соединяется с фокусирующим объективом через дополнительный вход и имеет, соответственно, свою коллимирующую оптику. Все это значительно усложняет конструкцию фокусирующей системы. Использование в [6] режима модуляции добротности резонатора акустооптическим затвором позволило достигнуть более высокого коэффициента преобразования излучения во вторую гармонику даже с узлом ГВГ, расположенным вне резонатора лазера и без использования дополнительной фокусировки излучения внутри нелинейного элемента, сохраняя при этом возможность регулировки длительности импульса в необходимых пределах для процесса сварки. Однако использование акустооптического затвора само по себе не является оптимальным, т.к. высокая частота повторения импульсов с данным затвором (десятки кГц) сочетается с малой энергией каждого моноимпульса (единицы мкДж) и, соответственно, с низким коэффициентом преобразования во вторую гармонику.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение энергии в канале излучения второй гармоники 532 нм за счет увеличения эффективности преобразования основного излучения 1064 нм, а также упрощение конструкции тракта доставки излучения на объект сварки.
Поставленная задача решается за счет того, что в лазерной импульсной установке для прецизионной лазерной сварки высокоотражающих инфракрасное излучение металлических деталей, содержащей два лазера, излучающих на основной длине волны и на второй гармонике соответственно, в резонаторе лазера с генерацией второй гармоники установлены концевые высокоотражающие зеркала для излучения на основной длине волны и прозрачные для излучения второй гармоники, между одним из концевых зеркал и активным элементом установлены последовательно два нелинейных элемента из оптически двуосного кристалла с кристаллографическими осями под углом 45° относительно друга друга, зеркало, высокоотражающее для излучения второй гармоники и прозрачное для основного излучения, пассивный затвор, причем доставка излучений лазеров на обеих длинах волн к объекту сварки осуществляется по общему волоконно-оптическому кабелю.
Использование в предлагаемой лазерной установке пассивного затвора для модуляции добротности резонатора и двух нелинейных элементов с кристаллографическими осями, ориентированными под углом 45° друг относительно друга, позволяет повысить эффективность преобразования во вторую гармонику примерно на 25% по сравнению с прототипом и, соответственно, снизить уровень накачки при той же выходной энергии излучения. Использование высокоотражающего возвратного зеркала на длине волны второй гармоники позволяет полностью вывести излучение данной длины волны из резонатора и повысить энергию импульсов излучения на 30% по сравнению с прототипом при той же накачке. Введение выходных пучков обоих резонаторов в один волоконно-оптический кабель для доставки излучения к объекту сварки обеспечивает идеальное совмещение обоих пучков в пространстве при фокусировке на объект сварки и упрощает конструкцию фокусирующей системы.
Оптическая схема предлагаемой установки представлена на Фиг. 1. На Фиг. 2 представлены временные диаграммы импульсов излучения, поясняющие работу предлагаемой установки. Резонатор лазера с основным излучением 1064 нм образован высокоотражающим зеркалом 1, выходным полупрозрачным зеркалом 2 и содержит активный элемент из Nd:YAG 3. Резонатор лазера с излучением второй гармоники 532 нм образован двумя концевыми зеркалами 4, 5, высокоотражающими излучение 1064 нм и прозрачными для излучения 532 нм, и содержит активный элемент из Nd:YAG 6. Узел ГВГ внутри резонатора образован двумя нелинейными элементами из оптически двуосного кристалла, например, калий-титанил-фосфата (КТР) 7,8, кристаллографические оси которых развернуты друг относительно друга на угол 45°. Зеркало 9, высокоотражающее для излучения 532 нм и прозрачное для излучения 1064 нм, служит для полного выхода преобразованного излучения с длиной волны 532 нм из резонатора через выходное зеркало 5. Пассивный затвор 10 на основе кристалла алюмоиттриевого граната с хромом (Cr:YAG), установленный между зеркалом 9 и активным элементом 6, позволяет сформировать последовательность моноимпульсов длительностью 20…30 не, энергия которых определяется начальным пропусканием пассивного затвора, а период следования варьируется в пределах от 20 до 200 мкс. Величина начального пропускания пассивного затвора подобрана таким образом, чтобы энергия каждого моноимпульса излучения 532 нм не превышала 0,02 Дж. Это обеспечивает уровень плотности мощности излучения внутри кварцевого волокна оптического кабеля ниже порога разрушения кварца.
Выходящее из резонаторов излучение на обеих длинах волн направляется с помощью поворотных зеркал 11, 12, 13 в узел ввода излучения, образованный линзами 14…17 и, далее, на входной торец волоконно-оптического кабеля 18. Зеркала 19, 20, 21 и фотоприемники 22, 23 служат для контроля энергии излучения в обоих каналах. Блок питания лазерной установки 24 формирует импульсы разряда накопительных конденсаторов через лампы 25, 26, обеспечивающие оптическую накачку активных элементов 3, 6 импульсами переменной длительности.
0
м
0
2
1
3
0
1
2
3
1
0
3
2
2
0
3
1
532
532
1064
Предлагаемая лазерная установка работает следующим образом (Фиг. 2). Блок питания начинает накачку лазера с излучением 532 нм в момент времени t. В импульсно-периодическом режиме при «закрытом» затворе происходит накопление инверсной населенности ионов Nd в активном элементе 6. При достижении определенного уровня инверсной населенности, определяемого начальным пропусканием затвора, затвор просветляется, и лазер генерирует моноимпульс излучения 532 нм с импульсной мощностью P (27). Процесс повторяется многократно, в результате чего генерируется последовательность моноимпульсов (28). Длительность T и энергия каждого моноимпульса определяются длиной и оптическими потерями резонатора и составляют в типичном случае 20÷30 не и 10÷20 мДж соответственно, что соответствует величине P~0,3÷1 МВт. Столь высокая импульсная мощность позволяет достичь высокой эффективности преобразования излучения 1064 нм во вторую гармонику (до 50%). Период следования моноимпульсов T определяется импульсной оптической мощностью накачки и варьируется от 20 до 200 мкс. В момент времени t блок питания прекращает накачку в резонаторе лазера 532 нм, тем самым прекращая генерацию пачки моноимпульсов (28). Независимо от этого блок питания начинает накачку резонатора лазера 1064 нм в момент времени t и заканчивает ее в момент времени t (29). При этом лазер генерирует импульс излучения 1064 нм с импульсной мощностью P. В типичном случае двухимпульсного режима сварки выполняется соотношение t<t<t<t, как схематично показано на Фиг. 2. Величины задержек (t-t) - начала импульса 1064 нм относительно начала импульса 532 нм, (t-t) - окончания импульса 1064 нм относительно конца импульса 532 нм, а также длительностей импульсов 532 нм (t-t) и 1064 нм (t-t) плавно регулируются блоком питания в необходимых пределах от 0,1 мс до 30 мс для обеспечения наилучшего качества сварки.
Результаты испытаний макета лазерной импульсной установки для прецизионной сварки меди и серебра с активными элементами из Nd:YAG ⌀5×100 мм, пассивным затвором Cr:YAG с начальным пропусканием 85%, в импульсно-периодическом режиме до 5 Гц подтвердили эффективность предложенной установки.
По сравнению с прототипом предлагаемая лазерная импульсная установка обладает в 1,5 раза большей энергией импульсов излучения 532 нм, простотой конструкции фокусирующей системы за счет использования одного волоконно-оптического кабеля для обеих длин волн, обеспечивающего полные совмещение пучков излучения 532 нм и 1064 нм в пространстве.
Таким образом, предлагаемая лазерная импульсная установка может эффективно использоваться для прецизионной сварки высокоотражающих инфракрасное излучение металлов, таких как медь, серебро, золото, алюминий, а также их сплавов.
Источники информации:
[1] Tang K.; Buckius R.: "The geometric optics approximation for reflection from two-dimensional random rough surfaces", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 13, pp. 2037-2047 (1998).
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931097002275
[2] David Bergström. The Absorption of Laser Light by Rough Metal Surfaces. Doctoral Thesis, 2008.
http://epubl.ltu.se/1402-1544/2008/08/LTU-DT-0808-SE.pdf
[3] P.J. Spletter et. al. US Patent 5,083,007. Bonding Metal Electrical Members With a Frequency Doubled Pulsed Laser Beam.
[4] U. Duerr et. al. US Patent Application Publication 2013/0134139 A1. Pulsed Laser Machining Method and Pulsed Laser Machining Equipment, in Particular for Welding with Variation of the Power of Each Laser Beam.
+
[5] Lasag SLS GX 1500. Pulsed Dual Wavelength Green Mix Nd: YAG Laser.
http://www.lasag.com/en/products/solid_state_lasers/sls_gx/
[6] A. Matsunawa et. al. JP Patent Application Publication 2002028795 (A). Method and Equipment for Laser Beam Welding. - Прототип
[7] S. Nakayama et. al. JP Patent Application Publication 20050313195(A). Double Wavelength Superposing Type Laser Beam Emission Unit, and Laser Beam Machining Apparatus.
[8] S. Nakayama et. al. JP Patent Application Publication 20050317743 (A). Laser Apparatus and Laser Processing Method.
[9] T. Nagashima et. al. US Patent 7,807,939 B2. Laser Welding Method and Laser Welding Apparatus.
[10] Ye Yicong. Chinese Patent CN 202212693 (U). Laser Welding Equipment.
[11] S. Nakayama et. al. US Patent 7,088,749 B2. Green Welding Laser.
[12] S. Nakayama et. al. US Patent 7,349,451 B2. Harmonic Pulse Laser Apparatus, and Method for Generating Harmonic Pulse Laser Beams.
[13] Z. Qingmao et. al. Chinese Patent CN 102882116 (A). Pulse Green Laser System for Minuteness Welding of Copper.