RU159418U1

RU159418U1 - LASER PULSE INSTALLATION FOR PRECISION WELDING OF HIGH-REFLECTING INFRARED RADIATION OF METAL PARTS

Info

Publication number: RU159418U1
Application number: RU2015123303/02U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Казаков; Александр Иванович Ляшенко; Александр Георгиевич Марунков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лагран" им. Е.М. Швома"
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-02-10

Abstract

Лазерная импульсная установка для прецизионной сварки отражающих инфракрасное излучение металлических деталей, содержащая два лазера, излучающих на основной длине волны и на длине волны второй гармоники соответственно, резонаторы которых включают концевые зеркала и активный элемент, и волоконно-оптический кабель, отличающаяся тем, что в резонаторе лазера с генерацией второй гармоники одно концевое зеркало выполнено высокоотражающим для излучения на основной длине волны, а второе концевое зеркало выполнено прозрачным для излучения на длине волны второй гармоники, при этом упомянутый резонатор снабжен последовательно установленными между одним из концевых зеркал резонатора и активным элементом двумя нелинейными элементами из оптически двуосного кристалла с кристаллографическими осями под углом 45° относительно друг друга, зеркалом, высокоотражающим излучение второй гармоники и прозрачным для основного излучения, и пассивным затвором, причем волоконно-оптический кабель обеспечивает возможность общей доставки излучения к объекту сварки от упомянутых лазеров.A laser pulse installation for precision welding of infrared radiation-reflecting metal parts, containing two lasers emitting at the main wavelength and at the second harmonic wavelength, respectively, the resonators of which include end mirrors and an active element, and a fiber optic cable, characterized in that in the resonator a laser with second-harmonic generation, one end mirror is highly reflective for radiation at the main wavelength, and the second end mirror is transparent for radiation at and the wavelength of the second harmonic, while the aforementioned resonator is equipped with two nonlinear elements of an optically biaxial crystal with crystallographic axes at an angle of 45 ° relative to each other, a mirror reflecting the second harmonic radiation and transparent to the main radiation, and a passive shutter, and the fiber-optic cable provides the possibility of a general delivery of radiation to the welding object from the aforementioned lasers.

Description

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.The utility model relates to the field of precision laser welding of highly reflective infrared radiation of metal parts from materials such as copper, silver, gold, aluminum or their compounds, in particular to installations containing pulsed lasers for performing such welding using radiation pulses of different wavelengths at a certain time sequence.

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).Laser welding, cutting and surface preparation are increasingly used in industry in recent years due to the capabilities of this technology in high-precision, high-speed and environmentally friendly processing of products from a wide variety of materials. The rapid development of microminiaturization of electronic equipment leads to the fact that traditional methods of laser welding of copper and silver or gold compounds and contacts do not satisfy modern manufacturers for a number of reasons, including the small sizes of compounds and contacts (0.02 ... 1 mm), strong differences in the thickness of the welded contact joints (from 0.01 mm to several mm), the need for preliminary cleaning of the surfaces of the welded products. Laser radiation from a yttrium aluminum garnet crystal with neodymium (Nd: YAG) with a wavelength of 1064 nm is traditionally widely used for the above tasks, however, when welding the most common materials, such as copper, silver, gold, aluminum or their compounds, which are also subject to sufficiently strong oxidation (except gold), there are big problems associated with a low coefficient of absorption of radiation at a working wavelength of 1 μm (5.6% for pure unpolished copper [1, 2] and about half as much for polishes Anna).

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].To increase the efficiency of laser welding of such compounds, it is necessary to increase the radiation absorption coefficient of the material. One solution to this problem is to use radiation at a wavelength of 532 nm, which is the second harmonic of the radiation of the same Nd: YAG laser and has a higher absorption coefficient (57.6% for pure unpolished copper [1, 2]). Various options are proposed for using radiation at a wavelength of 532 nm for laser welding, either in combination with the main radiation of a 1064 nm Nd: YAG laser [3 ... 10], or independently of it [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.The laser welding system implemented in practice, described in the patent application [4], is a solid-state pulsed Nd: YAG laser with a programmable shape of a radiation pulse at a wavelength of 1064 nm and a second harmonic generation unit (SHG) located outside the laser resonator. The pulse shape of 1064 nm is chosen such that for the first 2 ms or less, the laser generates the highest possible pulsed radiation power of 1064 nm, which is necessary for efficient conversion (up to 20% with additional focusing) into the second harmonic of radiation with a wavelength of 532 nm. Radiation of 532 nm is used in this initial period of time for more efficient heating of the surface of the welded material to the melting point due to the high absorption coefficient of radiation at a given wavelength. When the surface of the copper reaches its melting point, it begins to effectively absorb radiation at a wavelength of 1 μm, because the absorption coefficient increases several times [2] and the need for further use of the second harmonic radiation disappears. Therefore, starting from the moment of melting, the pulsed radiation power of 1064 nm is reduced (two or more times) to the level necessary only to maintain the copper surface in the molten state. The pulsed radiation power of 532 nm drops four or more times, because the efficiency of conversion to the second harmonic depends nonlinearly on the power of the main radiation. As a result, 532 nm radiation does not play a significant role in the welding process after the start of material melting due to the relatively low power compared to the main 1064 nm radiation. The device using the technology described above was presented in 2011 by the well-known Swiss company Rofin-Lasag [5]. The main fundamental drawback of the presented model is the interdependence of the second harmonic channels of 532 nm and the fundamental radiation of 1064 nm. In principle, they cannot be completely separated both in terms of power and time, because radiation at both wavelengths occurs using a single laser, and the second-harmonic generation unit is located outside the resonator. A similar disadvantage has earlier models described in [3, 7, 8], which generally do not have the ability to program the parameters of the radiation pulse and, accordingly, adjust the relative radiation power in the channels of 532 nm and 1064 nm by changing the pump power. The use of polarized radiation output in these models allows us to separate the 532 nm and 1064 nm beams in space and to adjust their power independently using optical attenuators, which is not convenient in practice.

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.The models of laser installations for welding described in the patents [6], [7], [9], [10] have the ability to independently adjust the power and time position of pulses 532 nm and 1064 nm, because they are formed in fact in two independent lasers (separate resonators and power supplies). However, this separation also leads to a separate output of the radiation of each channel through its fiber cable. The radiation beams emerging from the cables are connected into one beam in the focusing system, which greatly complicates its design.

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.The models of laser installations for welding described in patents [11 ... 13] are pulsed Nd: YAG lasers with SHG units mounted inside the laser cavity, which in principle provides higher conversion efficiency compared to non-resonant SHG during the entire radiation pulse. The main role in the welding process in these models is played by second harmonic radiation of 532 nm. However, to achieve a sufficiently high radiation power density necessary for an effective SHG process, these models use additional focusing of radiation using lenses located inside the resonator, which makes intracavity SHG without using the Q-factor of the resonator insufficiently reliable from the point of view of possible breakdowns and damage to the optical components of the laser .

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.It should be noted that lasers generating second-harmonic radiation and described in patents [6, 7, 9,10], as parts of laser installations for welding, are similar in principle to those described in patents [11–13]. Most of the proposed models use the intracavity SHG method with additional focusing of radiation and without the use of Q-switching of the resonator. In the patent [9], focusing in the SHG unit is not used, which, of course, increases reliability and simplifies the design, but does not allow to achieve high conversion efficiency to the second harmonic.

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.Closest to the proposed installation is a laser welding installation described in the patent [6]. The features of this model are the complete independence of both emission channels of 532 nm and 1064 nm, as well as the use of modulation of the Q factor of the resonator with the aid of an acousto-optic shutter in order to increase the efficiency of non-resonant second harmonic generation. The complete independence of the channels 532 nm and 1064 nm is ensured in this model by the presence of two lasers, i.e. two separate resonators for generating the main and second harmonics of the radiation, as well as two independent power supply units for the pump lamps, controlled by a single controller. However, the radiation output in this model is also implemented separately, as in the previously described patents. One channel does not have a fiber-optic output at all, and therefore the radiation is focused using a rotary mirror built into the lens, focusing the radiation on the welding object. The second channel has a fiber output, which is connected to the focusing lens through an additional input and, accordingly, has its own collimating optics. All this greatly complicates the design of the focusing system. Using in [6] the regime of Q-switching of the cavity with an acousto-optical shutter, it was possible to achieve a higher coefficient of conversion of radiation to the second harmonic even with a second-harmonic generation unit located outside the laser cavity and without using additional radiation focusing inside the nonlinear element, while maintaining the possibility of adjusting the pulse duration to the required limits for the welding process. However, the use of an acousto-optical shutter in itself is not optimal, because the high pulse repetition rate with this gate (tens of kHz) is combined with the low energy of each monopulse (units of mJ) and, accordingly, with a low coefficient of conversion to the second harmonic.

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.The objective of this utility model is to increase the energy in the second harmonic radiation channel of 532 nm by increasing the conversion efficiency of the main radiation of 1064 nm, as well as simplifying the design of the radiation delivery path to the welding object.

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.The problem is solved due to the fact that in the laser pulse installation for precision laser welding of highly reflective infrared radiation metal parts containing two lasers emitting at the main wavelength and at the second harmonic, respectively, end highly reflecting mirrors for radiation are installed in the laser cavity with the second harmonic generation at the main wavelength and transparent to the radiation of the second harmonic, between one of the end mirrors and the active element are installed sequentially two not linear elements from an optically biaxial crystal with crystallographic axes at an angle of 45 ° relative to each other, a mirror that is highly reflective for second-harmonic radiation and transparent for the main radiation, a passive shutter, and laser radiation at both wavelengths is delivered to the welding object using a common fiber-optic cable.

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.The use of a passive shutter in the proposed laser system for modulating the Q-factor of the resonator and two nonlinear elements with crystallographic axes oriented at an angle of 45 ° relative to each other can increase the efficiency of conversion to the second harmonic by about 25% compared with the prototype and, accordingly, reduce the pump level at the same output radiation energy. Using a highly reflective return mirror at a second harmonic wavelength allows the radiation of a given wavelength to be completely removed from the resonator and to increase the energy of radiation pulses by 30% compared with the prototype with the same pumping. The introduction of the output beams of both resonators into one fiber-optic cable for delivering radiation to the welded object provides an ideal combination of both beams in space when focusing on the welded object and simplifies the design of the focusing system.

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.The optical scheme of the proposed installation is presented in FIG. 1. In FIG. 2 presents time diagrams of radiation pulses explaining the operation of the proposed installation. A laser resonator with a fundamental radiation of 1064 nm is formed by a highly reflective mirror 1, an output translucent mirror 2 and contains an active element of Nd: YAG 3. A laser resonator with a second harmonic radiation of 532 nm is formed by two end mirrors 4, 5, highly reflective radiation of 1064 nm and transparent to radiation 532 nm, and contains an active element of Nd: YAG 6. The SHG unit inside the cavity is formed by two nonlinear elements of an optically biaxial crystal, for example, potassium titanyl phosphate (KTP) 7.8, the crystallographic axes of which are rotated g with respect to each other at an angle of 45 °. Mirror 9, highly reflective for 532 nm radiation and transparent for 1064 nm radiation, serves to completely exit the converted radiation with a wavelength of 532 nm from the resonator through the output mirror 5. Passive shutter 10 based on a crystal of yttrium aluminum garnet with chromium (Cr: YAG), installed between the mirror 9 and the active element 6, it is possible to form a sequence of monopulses with a duration of 20 ... 30 ns, the energy of which is determined by the initial transmission of the passive shutter, and the repetition period varies from 20 to 200 μs. The initial transmittance of the passive shutter is selected so that the energy of each single pulse of 532 nm radiation does not exceed 0.02 J. This provides a level of radiation power density inside the quartz fiber of the optical cable below the threshold for the destruction of quartz.

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.The radiation emerging from the resonators at both wavelengths is directed using rotary mirrors 11, 12, 13 to the radiation input unit formed by the lenses 14 ... 17 and, further, to the input end of the optical fiber cable 18. Mirrors 19, 20, 21 and photodetectors 22 , 23 serve to control the radiation energy in both channels. The power supply unit of the laser unit 24 generates discharge pulses of the storage capacitors through the lamps 25, 26, which provide optical pumping of the active elements 3, 6 by pulses of variable duration.

Предлагаемая лазерная установка работает следующим образом (Фиг. 2). Блок питания начинает накачку лазера с излучением 532 нм в момент времени t₀. 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 P⁵³² (27). Процесс повторяется многократно, в результате чего генерируется последовательность моноимпульсов (28). Длительность T_м 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 P⁵³²~0,3÷1 МВт. Столь высокая импульсная мощность позволяет достичь высокой эффективности преобразования излучения 1064 нм во вторую гармонику (до 50%). Период следования моноимпульсов T₀ определяется импульсной оптической мощностью накачки и варьируется от 20 до 200 мкс. В момент времени t₂ 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 t₁ и заканчивает ее в момент времени t₃ (29). При этом лазер генерирует импульс излучения 1064 нм с импульсной мощностью P¹⁰⁶⁴. В типичном случае двухимпульсного режима сварки выполняется соотношение t₀<t₁<t₂<t₃, как схематично показано на Фиг. 2. Величины задержек (t₁-t₀) - начала импульса 1064 нм относительно начала импульса 532 нм, (t₃-t₂) - окончания импульса 1064 нм относительно конца импульса 532 нм, а также длительностей импульсов 532 нм (t₂-t₀) и 1064 нм (t₃-t₁) плавно регулируются блоком питания в необходимых пределах от 0,1 мс до 30 мс для обеспечения наилучшего качества сварки.The proposed laser installation operates as follows (Fig. 2). The power supply starts pumping a laser with radiation of 532 nm at time t ₀ . In the pulse-periodic mode with a “closed” gate, the inverse population of Nd ions accumulates in the active element 6. Upon reaching a certain level of inverse population, determined by the initial transmission of the gate, the gate is illuminated, and the laser generates a single pulse of 532 nm with a pulse power of P ⁵³² (27 ) The process is repeated many times, as a result of which a sequence of monopulses is generated (28). The duration T _m and the energy of each monopulse are determined by the length and optical losses of the resonator and are typically 20–30 nsec and 10–20 mJ, respectively, which corresponds to a value of P ⁵³² ~ 0.3–1 MW. Such a high pulsed power allows to achieve high conversion efficiency of 1064 nm radiation to the second harmonic (up to 50%). The monopulse period T ₀ is determined by the pulsed optical pump power and varies from 20 to 200 μs. At time t _2, the power supply stops pumping in the 532 nm laser cavity, thereby stopping the generation of a single pulse train (28). Regardless of this, the power supply starts pumping the 1064 nm laser resonator at time t ₁ and finishes it at time t ₃ (29). In this case, the laser generates a radiation pulse of 1064 nm with a pulse power of P ¹⁰⁶⁴ . In a typical case of a two-pulse welding mode, the relation t ₀ <t ₁ <t ₂ <t ₃ is satisfied, as shown schematically in FIG. 2. The values of the delays (t ₁ -t ₀ ) - the beginning of the pulse 1064 nm relative to the beginning of the pulse 532 nm, (t ₃ -t ₂ ) - the end of the pulse 1064 nm relative to the end of the pulse 532 nm, as well as pulse durations 532 nm (t ₂ - t ₀ ) and 1064 nm (t ₃ -t ₁ ) are continuously adjustable by the power supply within the necessary limits from 0.1 ms to 30 ms to ensure the best welding quality.

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.The test results of the model of a laser pulsed installation for precision welding of copper and silver with active elements of Nd: YAG ⌀ 5 × 100 mm, a passive shutter Cr: YAG with an initial transmission of 85%, in a pulse-periodic mode up to 5 Hz confirmed the effectiveness of the proposed installation.

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.Compared with the prototype, the proposed laser pulsed installation has 1.5 times more energy of radiation pulses of 532 nm, the simplicity of the design of the focusing system due to the use of a single fiber-optic cable for both wavelengths, ensuring full alignment of the radiation beams of 532 nm and 1064 nm in space .

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.Thus, the proposed laser pulse installation can be effectively used for precision welding of highly reflective infrared radiation of metals such as copper, silver, gold, aluminum, as well as their alloys.

Источники информации:Information sources:

[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).[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/S0017931097002275http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0017931097002275

[2] David Bergström. The Absorption of Laser Light by Rough Metal Surfaces. Doctoral Thesis, 2008.[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.pdfhttp://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.[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.[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.[5] Lasag SLS GX 1500 ^+. Pulsed Dual Wavelength Green Mix Nd: YAG Laser.

http://www.lasag.com/en/products/solid_state_lasers/sls_gx/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[6] A. Matsunawa et. al. JP Patent Application Publication 2002028795 (A). Method and Equipment for Laser Beam Welding. - prototype

[7] S. Nakayama et. al. JP Patent Application Publication 20050313195(A). Double Wavelength Superposing Type Laser Beam Emission Unit, and Laser Beam Machining Apparatus.[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.[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.[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.[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.[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.[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.[13] Z. Qingmao et. al. Chinese Patent CN 102882116 (A). Pulse Green Laser System for Minuteness Welding of Copper.

Claims

A laser pulse installation for precision welding of infrared radiation-reflecting metal parts, containing two lasers emitting at the main wavelength and at the second harmonic wavelength, respectively, the resonators of which include end mirrors and an active element, and a fiber optic cable, characterized in that in the resonator a laser with second-harmonic generation, one end mirror is highly reflective for radiation at the main wavelength, and the second end mirror is transparent for radiation at and the wavelength of the second harmonic, while the aforementioned resonator is equipped with two nonlinear elements of an optically biaxial crystal with crystallographic axes at an angle of 45 ° relative to each other, a mirror reflecting the second harmonic radiation and transparent to the main radiation, and a passive shutter, and the fiber-optic cable provides the possibility of a general delivery of radiation to the welding object from the aforementioned lasers.