[发明专利]一种双光束耦合装置

说明书

技术领域

本发明涉及耦合聚焦两束不同波长激光的装置，尤其涉及用于利用两束不同波长的激光束进行焊接加工的双光束耦合装置。

背景技术

近十年，激光已被广泛应用到工业生产中，尤其是用于金属的焊接、切割、打孔、标记以及表面处理等方面。在生产中，激光焊接技术正变得越来越重要，这主要得益于激光焊接所能获得的高精度、高加工速率，和对工件产生较低热应力以及所能达到的自动化程度。激光焊接技术正逐步取代传统的焊接技术，尤其在生产加工高附加值产品的时候，激光焊接技术是传统焊接技术所无法媲美的。

当前的激光焊接系统最广泛使用的激光光源一般有两种。第一种是气体激光器，即二氧化碳(CO₂)激光器，其激光波长是10.6微米。第二种是固体激光器，即Nd:YAG(Nd:Y₃Al₅O₁₂，掺钕钇铝石榴石)激光器，其激光波长是1.064微米。Nd:YAG激光器的工作介质是掺杂少量稀土元素Nd(钕)的YAG晶体棒。Nd:YAG激光器可以连续振荡，也可以利用Q开关产生巨脉冲振荡，也可以产生脉冲宽度为100微秒以上(一般为1～10毫秒)的长脉冲。

在激光焊接应用中，激光束与待焊接材料的光学耦合特性是相当重要的。如果光学耦合特性不好，材料对该激光波长的反射率高，则材料对该激光的吸收效率低，无法高效地吸收该激光，因此很难获得一个很好的焊接效果。在室温下，金、银、铜等金属对二氧化碳激光和Nd:YAG激光的吸收效率特别低，采用单波长的二氧化碳激光或Nd:YAG激光焊接加工金、银、铜等金属无法获得很好的效果。相比之下，在室温下，金、银、铜等金属对Nd:YAG激光的倍频激光(波长为532纳米)却非常高，其吸收系数是Nd:YAG激光的5～10倍。

有两个普遍的规律：第一，对同一种材料，激光的波长越长，材料对激光的吸收系数越低；激光波长越短，材料对激光的吸收系数越高。第二，金属的温度越高，对激光的吸收效率越高。因此，焊接加工金、银、铜等金属的时候，可以先用Nd:YAG激光的倍频激光对金、银、铜等金属进行预热，将工件加热到该金属的熔点附近，紧接着施加一束Nd:YAG激光，完成最后的焊接工作。

光学玻璃对Nd:YAG激光(波长为1.064微米)和Nd:YAG激光的倍频激光(波长为532纳米)的折射率是不一样的，用单片光学玻璃来聚焦这两束激光会产生色差，即，该两束激光的聚焦焦点不在同一个地方。即使使用消色差的组合透镜来耦合聚焦，该两束激光的聚焦位置的距离有所减少，但仍然不在同一个地方上。金、银、铜等金属价格昂贵，采用消色差组合透镜来耦合聚焦Nd:YAG激光及其倍频激光，无法获得比较好的焊接效果。

发明内容

本发明针对焊接金、银、铜等具有高反射系数的金属和合金存在的问题，提供了一种双光束耦合装置。该耦合装置方便地把Nd:YAG激光(波长为1.064微米)和Nd:YAG的倍频激光(波长为532纳米)耦合聚焦到同一个位置上，可以很好地焊接加工具有高反射系数的金属和合金，从而提高生产效率和质量。

本发明采取的技术方案是，一种双光束耦合装置，包括：准直系统，用于准直Nd:YAG激光，使准直后的激光束形成一束平行光；第一45度反射镜，用于反射和改变Nd:YAG激光的传输方向；扩束系统，用于扩束Nd:YAG的倍频激光，得到不同发散角的光束；第二45度反射镜，用于通过Nd:YAG激光和反射以及改变Nd:YAG的倍频激光的传输方向；聚焦系统，用于耦合聚焦Nd:YAG激光和Nd:YAG的倍频激光，使这两束激光聚焦在同一个位置。

本发明有益效果在于，Nd:YAG激光与铜、银和金等具有高反射系数金属的光学耦合特性是极差的；但是，Nd:YAG的倍频激光与铜、银和金的光学耦合特性是相当高的。利用这两束激光来焊接，Nd:YAG的倍频激光先将待加工工件加热到工件的熔点附近，然后再利用Nd:YAG激光完成最后的焊接工作，从而克服了采用单一Nd:YAG激光焊接加工所产生的困难，并且大大地提高了焊接效率和焊接质量。

附图说明

图1是依照本发明一个实施例，耦合聚焦两束不同波长激光的装置简化示意图

图2是耦合两束不同波长激光并采用消色差组合透镜聚焦的装置简化示意图

图3a、图3b是本实施例中，从光纤耦合输出的激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图

图4a、图4b是本实施例中，普通固体激光经光学玻璃准直或扩束的装置简化示意图

具体实施方式