[发明专利]激光腔、激光焊接装置及改变激光焊点尺寸的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光腔，其特别(但不限于)适用于执行点焊处理的激光焊接装置，尤其适用于如牙科或金饰工艺领域所需的极小且受控的点和较大尺寸点的焊接。

背景技术

对于本领域的技术人员显而易见的是，针对某些特定应用来说，激光焊接具有很多优于传统焊接处理的优势，例如激光焊接可以根据所欲焊接材料的局部铸件所需的热量而产生较低热量，有可能在使用具有不同物理特征或不能根据传统技术焊接的材料时也能以高精确度和高生产率(相对高的运行率，约为10m/min)执行高品质焊接，还可以在不具有焊接材料的情况下在空气中焊接。

经设计在焊接装置中应用的激光腔通常具有由固体材料制成的激光棒，固体材料优选地包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)或掺钕玻璃，其安装于激光谐振器内部。为在激光焊接处理中获得小尺寸焊接点，激光谐振器应尽可能在TEM₀₀模式下工作，即横向激光模式应尽可能类似于高斯分布(Gaussian distribution)。

如果谐振器根据TEM₀₀模式操作，有可能首先借助于定位于激光腔内的光学系统(例如光学望远镜)扩大所产生的激光束的直径，并接着使激光束以高精确度聚焦于所欲焊接的工件上。

首先，通过TEM₀₀上的衍射损失分布和较高级模式确定激光腔的横向模式。适合于确定这一分布的参数是菲涅尔数(Fresnel number)N＝a²/λL，其中L是激光腔长度，a是激光束直径，且λ是波长。因为菲涅尔数等于或稍微小于1(N≤1)，所以每个来回行程TEM₀₀模式仅具有小于1％的损失，而所有其他模式具有大于10％的损失。因此，理想的TEM₀₀操作要求菲涅尔数略低于1。

对于高级模式，也就是TEM_pq，激光点尺寸可定义为整个激光束的圆周，其含有能量的90％。TEM_pq模式的模式宽度ω_pq＝(2p+q+1)^1/2×ω₀，其中ω₀是相应TEM₀₀模式的宽度，其中p、q(即模式TEM_pq指数)指示模式轮廓中角和径向结点的数目。

由于高级横向模式导致的光束直径D的增加可表述为D＝MD₀，其中D₀是TEM₀₀模式操作中的激光束直径。对于TEM₀₀模式操作，光束发散性为θD₀＝4λ/π。

这一多模式光束将以与高斯光束相同的形式传播一定距离，但雷利范围(Rayleigh range)变为ξ_R＝πω²₀/M²λ。如果这一光束经由一组F数为F＝f/D的透镜在激光腔外聚焦，其中f为总体焦点长度，D为透镜上的光束直径，则最小点尺寸D为D＝FM² θ₀ D₀。因此点尺寸由于与TEM₀₀模式操作相关的因数M²得以增加。

横向模式轮廓可通过增加激光腔的长度L或减小光束直径从而使所述模式更类似于高斯分布而得以改良。激光腔长度是给定的，且因此受到诸如焊接系统的最大尺寸的实施考虑因素限制。典型激光腔长度约为50～100cm(19.68～39.37英寸)。光束直径由激光棒直径确定，其实际上应当更大一些，(通常约为4～10mm(0.16-2.54英寸))以获得焊接光束所需的功率。其产生具有高输出功率的腔室，且具有在N＝20～100范围内的较大菲涅尔数，这意味着强多模式行为，即腔室必须支持多种横向模式。因此最终点尺寸D受菲涅尔数限制。

现有技术已经提到通过具有配备校准通孔的固定激光束屏蔽构件的激光腔来改良焊接点尺寸，激光束经设计通过所述通孔。这一校准通孔经设计有效消除与较高级侧向激光腔模式相关的激光束损失。因此获得参数M的降低，结果使得焊接点尺寸降低，获得这一结果的同时降低了激光束输出功率，但这一降低却并非所希望得到的，且在长期运行中，会使得通孔轮廓发生破坏性磨损。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于新颖概念的激光腔，尤其用于激光焊接装置，其适于消除或显著减少传统激光焊接系统所遇到的上述缺点。