水泵叶轮激光焊接机焊接方案

3.3.1  灯泵浦Nd: YAG激光器

    这种灯激励激光器的Nd: YA(.棒通常放在双椭圆反射器的

公共焦轴卜，两个激励灯放在两个外焦轴一卜。

   I．活性介质（品体棒）；2．输出镜；3．后镜；4．泵浦灯；5．泵浦光；

    6．冷却水；7．反射镜；8．受激发射；9．激光束

    大功率激光器中，典型的Nd: YAG棒一般是长150mm．直径7～lOmm。泵

浦过程中激光棒发热，限制r每个棒的较大输出功率，因此必须保持激光棒晶体

内部的产热和外壁冷却造成的温度梯度较低，以确保在晶体棒内形成的残余应力

低于晶体的开裂极限。在材料加上-fl，单棒Nd：YAG激光器的功率范围为50～

800W．所产生的光束质量为5- 50mm．mrad。这种激光器的控制电路和电源设

备通常是放在独立的控制柜中，激光头可通过光纤直接与加工系统安装在‘起。

3.2.2轴流式COz激光器

    日前，大多数C02激光器是按照快速轴流的原理设计的，主要原因足这种

激光器提供的光束质量能够满足多种激光加工应用。管中产生放电的同时，激光

气体混合物沿放电管高速流动，以保证热量的有效散失（图3-4）。为了获得较

高的流速，通常使用罗茨排风机、径向排风机或涡轮机。

    由图3-4可以看出，几个功能部件在谐振腔中采用了光学串联方式连接，这

样既提高了功率，同时又保持了各部分独立设计的特点。

    冈3-4  直流激励快速轴流式()（五激光器的基本结构

1．激光束；2．输出镜：3．气体出口；4．直流激励放电；5．直流电极；6．折叠镜；7．气体入口；

    8．后镜

    快速轴流式C(2激光器的功率输出范围可以从几百瓦到20kW以上。它的

一个典型的特征是控制单元与激光头分离。大功率快速轴流式a五激光器的主

要优点体现在：

    (1)采用模块化设计原理；

    (2)谐振腔的设计简单（反射镜和光学元件较少）；

    (3)谐振腔是光学稳定的，从而避免了衍射损耗（可达20kW功率）；

    (4)谐振腔设计采用了特殊的反射镜排列方式，功率大于lOkW时具有额外

的光学稳定性；

    (5)功率大于lOkW以上，射频发生器集成到谐振腔中，无须使用高电限电

缆传输在外部产牛的射频功率；

    (6)气体和光学系统采用的冷却回路非常简单；

(7)采用常规电源可获得良好的1-作效率，降低r运行费用。

3.2.3扩散冷却COz激光器

    在流动式C()2激光器中，激光气体混合物密封在放电管中，如果只能通过

热传导方式冷却，尽管外部管壁叮以进行有效的冷却，但此时h米管长只能产生

50W的光束能量，因此这种方法难以造出结构紧凑的高功率激光器。

    同快速流动式激光器相比，板条式（弛激光器的结构更加紧凑。在两个人

面积铜电极之间进行射频气体放电，见图3-6，电极之间的间隙很小，通过水冷

电极放电腔可达到很好的散热效果，获得相对较高的能量密度。不稳定谐振腔采

    图3-6板条式∞2激光器的基本结构

l．激光束；2．光束整形单元；3．输出镜；4．冷却水出口；5．射频激

  励；6．冷却水入口；7．后镜；8．射频激光放电；9．波导电极用柱状反射镜产生高度聚焦的激光光束。在激光器的外部采用水冷反射式光束元

件将矩形光束转换成旋转对称的光束，光束传播系数K≥0.8。

    除了紧凑与坚固的设计之外，这种激光器较大的优点是气体消耗小。流动式

气体激光器需每隔‘定时间添加新的激光气体。扩散冷却激光器只需将装有10

升混合气体的小气瓶放在激光头内部，就能持续上作1年以上，而不需要再安装

外部的供气系统。图3-7所示为2.5kW的板条式C()2激光器外观。

鹌3-7 2.5kW板条式（’【k激光器

    扩散冷却板条式C02激光器的激光头尺寸较小，容易与加工机床集成在一

起，系统可设计为与激光头·起运动，用于船厂或车间里的大型龙门架时，在整

个工作区域中都可以保证较好光束质量，这对于激光切割尤为重要。其技术优点

如下：

    (1)结构紧凑；

    (2)光束质量好；

    (3)无气体换热要求；

    (4)光损失低；

    (5)热稳定性高；

    (6)气体消耗量低，无需外部气体；

    (7)没有气体流动，囚此光学谐振腔无污染；

    (8)维护-[作量少。

    表3-1给出了上述几种(X)2 7 C体激光器的性能比较。表3-1  不同类型C02激光器性能比较

3.3  Nd: YAG固体激光器

    0Q激光器是以CQ混合气体作为激光活性介质，通过放电产生激励。固

体激光器中，是采用掺有钕(Nd)或钇(Yb)金属离子的YAG晶体作为激光

活性介质，主要通过光泵浦来发射激光。

    Nd: YAG激光器发射的激光波长为1.06Um，通过气体放电灯来激励时，电

效率约为3960激光活性物质钕（Nd3+离子）位于钇一铝一石榴石( Y-A-G)组成

的固态晶体中，通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为片状或碟状。脉冲

激光器(P激光器)通过氪闪光灯产生光学激励，而大功率连续激光器(CW激

光器)中，则是使用氪弧光灯。在新近开发的连续激光器中，应用了激光二极管

产生光学激励。同灯式泵浦激光器相比，它能够将光束质量和总效率提高3倍

左右。

    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。

    目前工业上应用的连续Nd: YAG激光器的输出功率已经可以达到SkW以

上。连续Nd: YAG激光器由于是连续的发射激光，与脉冲系统相比可达到更高

的加工速度。此外，连续Nd: YAG激光器还具有Q开关的特殊工怍模式。

    同CQ激光器相比，YAG激光器主要优势是光束可通过光纤进行传输，且

材料对YAG激光的波长范围具有较高的吸收率，可用于加工高反射率的材料

（如铝和铜）。