脉冲钛宝石激光器（精选4篇）
脉冲钛宝石激光器 篇1
0 引言
从1982年Peter F.Moulton在麻省理工学院的Lincoln实验室首先发现掺钛蓝宝石晶体可产生调谐激光以来[1],钛宝石激光器的应用价值引起了人们的广泛关注。钛宝石激光器是迄今为止输出光谱在近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一,若辅之以非线性光学的频率变换技术,制成波长可调谐的钛宝石激光器[2],可满足生物成像、诊断和治疗等诸多领域的应用需求。
钛宝石激光器可以在多种模式下运转,其中采用倍频脉冲Nd:YAG激光器进行纵向泵浦是目前获得稳定输出的主要方法[3]。要得到更高的输出功率,就要提高泵浦光的注入功率,然而这将受到晶体损伤阈值的限制。本实验采用双向[4]、旁轴泵浦钛宝石晶体,能解决这一限制问题,提高激光器的光能转化效率。
本实验搭建了一套稳定的倍频调Q脉冲Nd:YAG激光器,它由内循环水冷系统冷却,具有良好的稳定性和高的激光脉冲能量。通过调节KTP晶体的旋转角度,可以使Nd:YAG激光器同时出射1 064 nm和532 nm波长的激光,再次使用KTP倍频晶体倍频的1 064 nm波长激光,泵浦钛宝石激光器的振荡级,同时用Nd:YAG激光器直接出射的532 nm波长激光泵浦钛宝石激光器的放大级,从而实现了钛宝石激光器输出激光的产生和二次放大,最终输出毫瓦级、宽调谐的脉冲激光。由于其稳定、宽调谐等特性,使其成为很多医用成像仪器的理想光源,适用于光声成像等诸多生物医学成像领域。
1 系统设计及装置
根据系统设计要求,该激光器应有良好的激光输出特性(如激光单脉冲能量、激光耦合效率、光斑质量等),又要有良好的稳定性和可重复性(特别是大功率时,镜片膜层容易损坏)。
1.1 钛宝石激光器泵浦源、振荡级、放大级的结构设计
经典泵浦源结构设计使用KTP晶体倍频1 064 nm波长激光,并用其产生的532 nm激光同时泵浦钛宝石激光器的振荡级和放大级,但因为KTP晶体的倍频效率有限[5](一般为70%~80%),并且1 064 nm激光不能直接用来泵浦钛宝石晶体,所以泵浦光的总能量利用率较低。本实验泵浦源设计见图1。实验装置采用恒温控制的内循环水冷系统冷却,保证泵浦源长时间工作的稳定性。泵浦源结构设计在之前设计[6]的基础上做出改进,适当调节KTP晶体主光轴的旋转角度,改变倍频效率,使其出射的1 064 nm激光在钛宝石激光器模块内再次倍频产生532 nm激光,并用其泵浦钛宝石激光器的振荡级;Nd:YAG激光器同时出射的532 nm激光用于泵浦钛宝石激光器的放大级,提高了总能量利用率。
钛宝石激光器谐振腔的设计中,采用了双向、旁轴泵浦的两镜直腔法[7,8],如图2虚线上部所示。双向泵浦时,泵浦光的峰值功率分散在钛宝石晶体的两对称面(钛宝石晶体尺寸:6 mm×10 mm×23 mm),从而可以在不损坏钛宝石晶体的条件下,提高泵浦光的注入功率[9]。由于泵浦光(532 nm)和钛宝石晶体产生的振荡光(理论峰值波长790 nm)的布儒斯特角不同,且考虑到二者同轴时,镜片镀膜不易达到要求,所以二者光轴偏离4o~5o(偏离过大时,激光模式由低阶模向高阶模转化)。两镜直腔法的光斑直径较大,可以充分利用整个抽运区,提高耦合效率,且能减小调节光路的困难程度。
钛宝石激光器的放大级中,实验采用两级放大系统[10],如图2虚线下部所示。Nd:YAG激光器出射的532 nm激光,泵浦钛宝石晶体(钛宝石晶体尺寸6 mm×15 mm×25 mm)的两个面,振荡级激光两次通过能级反转的钛宝石晶体放大后,得到了功率更高、光束质量更好的放大级输出光。放大级钛宝石晶体略大于振荡级钛宝石晶体,这样的设计有利于能量的提取,可以得到更高的输出能量。
1.2 系统光路图及装置说明
钛宝石激光器的泵浦源(Nd:YAG激光器)和钛宝石激光器的振荡级及放大级的结构原理图分别如图1和图2所示。图1中1、2、3、4、5、6器件构成了Nd:YAG激光器的振荡级,其激光输出脉冲能量、脉冲频率可调。5器件中,脉冲氙灯泵浦Nd:YAG晶体,并且5器件的封闭系统由循环水冷却系统冷却,保证了光腔内温度恒定和振荡级稳定输出。8器件为马达驱动的光控开关。10器件为Nd:YAG激光器的放大级,能够成倍地放大输出功率。13器件为LD指示光源,用于调试光路。
图2为钛宝石激光器的谐振腔部分,分别由上部虚线框内的振荡级和下部虚线框内的放大级组成。1器件为1 064 nm高透、532 nm高反镜,它把泵浦光分开,1 064 nm泵浦光再次倍频后用于泵浦钛宝石激光器的振荡级,532 nm激光用于泵浦钛宝石激光器的放大级。
在振荡级部分(上部虚线框内),1 064 nm入射光经过KTP晶体后,倍频为可泵浦钛宝石激光器的532 nm激光。然后经过6器件扩束和8器件均分,分别泵浦钛宝石晶体的两侧。产生的激光在由11、12、14器件组成的谐振腔内形成振荡[11]。其中11器件放在360o可调旋转台上,调节11器件角度,即可调节输出波长[12]。泵浦钛宝石晶体时,由于钛宝石晶体对水平偏振光(p光)吸收高于竖直偏振光(o光)[6],因此泵浦光的偏振特性对光转化效率影响很大。所以,我们在该系统钛宝石振荡级内加入了二分之一波片,通过旋转二分之一波片,提高了光转化效率。
放大级的泵浦光同样由20器件分为两部分,分别泵浦钛宝石晶体的两侧,实现了钛宝石能级反转。振荡级的出射激光经过钛宝石晶体两次放大后输出。
由于1 064 nm激光不可见,而且532 nm激光功率较大,不便于调整光路,所以实验采用光斑直径较小(1 mm)的He-Ne激光器(中心波长632.8 nm)作为指示光源,分别调整泵浦光在钛宝石晶体上的位置和角度,以达到较好的泵浦效果。
2 实验结果及讨论
在钛宝石激光器输出频率1 Hz,振荡级泵浦能量120 mW时,采用光谱仪(AvaSpec-2048)探测钛宝石激光器的输出激光光谱,结果见图3所示。
图3通过连续、等角度旋转振荡级后反射镜(图2中11部件),同时等角度采样钛宝石激光器激光输出的波长和能量,平滑拟合数据后获得。如图3所示,该激光器调谐波段为710 nm~950 nm,在此调谐波段范围内,钛宝石激光器的输出功率大于5 mW,充分证明了该钛宝石激光器的宽调谐特性。当振荡级后反射镜旋转至某一角度时,钛宝石激光器激光输出功率最大(66 mW),此时钛宝石激光器激光输出谱线半高宽约为2 nm,中心波长约为740 nm。此结果与钛宝石晶体辐射理论的中心波长有所出入(理论峰值功率处中心波长为790 nm),因为钛宝石激光器输出波长不仅由钛宝石晶体性质决定,还受谐振腔机械结构、镀膜等原因的影响。在今后的实验中,通过调节透镜、反射镜角度、改变输出镜透过率等方法,可调节该钛宝石激光器中心波长至理论中心波长,进一步提高钛宝石激光器激光输出功率。
在泵浦光频率1 Hz,采用功率计(Ophir,NovaII)探测钛宝石激光器的输出功率。测得在钛宝石激光器振荡级泵浦能量为120 mJ(532 nm)、放大级泵浦能量为198 mJ(532 nm)时,放大级输出功率66 mJ(740nm),光能转化效率为20.75%。在实验中,放大级输出功率、光能转化效率随泵浦光能量增加而上升,但高能量时,色散棱镜和振荡级后反射镜容易损坏,所以使用更高损伤阈值的色散棱镜和后反射镜,可使该激光器达到更高输出功率和更高的能量转化效率。
用相纸记录近场输出光斑图像(38 mJ时)如图4所示。由图4可知,该激光器近场输出光斑接近圆形,远场(3 m)光斑形状无大差异,光束质量较好。
因为泵浦源(Nd:YAG激光器)产生1 064 nm激光和532 nm激光,1 064 nm激光二次倍频后,同时与532 nm激光分别泵浦钛宝石激光器的振荡级和放大级,所以泵浦源内KTP的光转化效率对放大级激光输出功率影响较大,通过调节KTP的旋转角度,可以调节泵浦光中1 064 nm和532 nm激光的能量比例。实验发现,调节二者光能量比例至1:1时,钛宝石激光器输出功率最高。
3 结论
本文介绍了钛宝石激光器的实验装置,在泵浦源结构上首次采用调Q脉冲Nd:YAG激光器出射的1 064 nm激光的二次倍频光和532 nm激光同时泵浦钛宝石的振荡级和放大级,提高了总能量利用率;在谐振腔的设计上同时采用了双向、旁轴泵浦,降低了钛宝石晶体、透镜的镀膜要求,使镜片膜层不易损坏;采用两级放大系统,提高了全固态可调谐脉冲钛宝石激光器的单脉冲输出功率;通过调节后反射镜的旋转角度,实现了钛宝石激光器的宽调谐输出。该钛宝石激光器,因为其总能量利用率高、稳定、宽调谐和高功率等特点,在生物医学成像等领域有广泛的应用价值。
摘要：设计了一台宽调谐、高功率、性能稳定的全固态可调谐脉冲钛宝石激光器。该激光器使用自行研制的带有水冷系统的Nd:YAG激光器泵浦钛宝石晶体,产生的振荡级激光经过两级放大系统后输出。通过调节后反射镜的反射角度,实现了全固态可调谐脉冲钛宝石激光器的调谐输出。通过调节泵浦光的能量,研究了泵浦光能量与全固态可调谐脉冲钛宝石激光器输出能量之间的关系。
关键词：谐振腔,全固态,可调谐,Nd:YAG,脉冲钛宝石激光器
参考文献
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脉冲钛宝石激光器 篇2
1 资料与方法
1.1 一般资料
可调长脉冲翠绿宝石激光治疗系统 (Cynosure, USA) :波长755nm, 脉冲宽度0.5ms, 能量密度10~30J/cm2, 光斑直径5mm;治疗冷却系统 (smartcool, Germany) 。Q开关翠绿宝石激光系统 (Cynosure, USA) :波长755nm, 脉冲宽度50ns, 能量密度5~7J/cm2, 光斑直径3mm;治疗冷却系统 (smartcool, Germany) 。2014-01~2015-01共治疗雀斑患者60例, 其中得到完全随访的患者60例, 随访率100%, 其中男24例, 女36例, 年龄20~40岁。在实验前按患者就诊顺序将患者随机等份分成两组:长脉冲翠绿宝石激光组和Q开关翠绿宝石激光组。
1.2 方法
1.2.1 术前准备
治疗前拍摄病变部位照片。一般小面积病变不需要麻醉, 如面积较大可以病变局部应用5%复方利多卡因软膏均匀涂布于患处, 外覆盖透明聚乙烯 (LD-PE) 薄膜, 约1h后麻醉显效, 即可进行激光治疗。术中医生及患者需戴防护眼罩。
1.2.2 术中操作
通常在正式治疗之前选择一个较小面积皮损进行试验性治疗, 根据即刻反应选择最终治疗能量, 治疗能量主要根据病变组织的颜色进行选择。激光能量通常根据病变组织的颜色进行选择。如病变颜色较浅, 需要选择较大的能量;病变颜色较深, 则需要选择较小的能量。在激光治疗全程要配合冷风机吹风冷却治疗区。
1.2.3 术后处理
向患者告知术后可能会有红斑、肿胀、术区疼痛及水疱等情况发生。术后立即用冰袋冰敷患处15~30min, 术后3d内外用重组人表皮生长因子喷剂, 有水疱的部位外用抗生素软膏直至创面结痂。瞩患者在术后4w、8w及12w进行随访, 并拍照存档。
2 结果
利用image pro-plus 6.0软件对术前及术后随访照片进行分析, 两组术前及术后雀斑数目均有明显减少, 但两组之间的显效率无明显差别, 无统计学差异 (P>0.05) , 见表1。术后发生色素沉着的概率, Q开关激光高于长脉冲激光, 但两者之间无统计学差异 (P>0.05) , 而且8w之后色素沉着均明显缓解或消失;虽然在术前常规应用利多卡因乳膏, 但是多数患者仍有明显的术中疼痛, 两组术中疼痛的发生率相近, 但是Q开关激光的疼痛程度要强于长脉冲激光;术后红斑的程度均较轻, 1w后均明显缓解或消失, 见表2。
*显效率= (痊愈量+显效量) /总例数长脉冲:χ2=0.8661, 无统计学差异 (P>0.05) ;Q开关:χ2=1.6797, 无统计学差异 (P>0.05) 。
3 讨论
临床上最常见的浅表性皮肤色素性疾病主要包括雀斑、牛奶咖啡斑、老年斑及部分黄褐斑, 严重影响面部美观。临床上最常应用的治疗方法为Q开关激光治疗, 该类型的激光设备主要包括Q开关红宝石激光、Q开关翠绿宝石激光、Q开关倍频Nd:YAG激光等设备。Q开关激光利用选择性光热作用原理[2], 其特定的波长和脉冲时间, 选择性地破坏皮肤黑素细胞的黑素小体, 将色素颗粒击碎, 对真皮的其他细胞与组织结构损伤很小, 颗粒碎屑被吞噬细胞吞噬, 并被排除体外。
但是, 由于Q开关激光为纳秒级激光, 瞬间的爆破能量很大, 所以就会对黑色素细胞产生过度的损伤, 这样在治疗之后某些病例会产生色素脱失的现象, 而这是患者不可接受的[2]。而且一般Q开关激光的光斑直径较小, 在治疗大面积的皮损时会有同一皮损照射能量不均一的现象, 影响治疗效果[4,5]。本研究中应用的激光为长脉冲翠绿宝石激光, 虽然它在爆破效果上没有Q开关翠绿宝石激光好, 但是它释放能量的过程较为和缓, 这样对于正常组织细胞的损伤就达到最小化, 而且我们使用的光斑直径为5mm, 在治疗大面积的单个皮损及面部多发性皮损时有着很大的优势。
在本实验中, 我们对Q开关翠绿宝石激光及长脉冲翠绿宝石激光在治疗雀斑方面的疗效进行对比。根据最终的统计学分析, Q开关翠绿宝石激光及长脉冲翠绿宝石激光在疗效上无明显差别, 60℅以上的患者在一次治疗之后获得了痊愈及显效的治疗效果。在不良反应的发生上, Q开关翠绿宝石激光要高于长脉冲翠绿宝石激光, 其中Q开关翠绿宝石激光治疗时疼痛较为明显, 可能与Q开关翠绿宝石激光发射的脉宽较短有关, 当激光的脉宽较短时, 激光光热作用主要为爆破作用, 短时间释放能量较为集中, 所以疼痛较为显著[6,7]。Q开关翠绿宝石激光治疗后红斑现象也较长脉冲翠绿宝石激光明显, 这可能与Q开关翠绿宝石激光爆破组织后的炎症反应较重有关。炎症后色素沉着是激光治疗之后最常见的不良反应[8], 尤其是在激光治疗色素性疾病之后色素沉着的发生更为明显, 本研究中我们发现利用Q开关翠绿宝石激光及长脉冲翠绿宝石激光治疗雀斑之后色素沉着的发生率没有明显差异, 但是患者主观感觉Q开关翠绿宝石激光要重于长脉冲翠绿宝石激光。在术后8w随访时, 色素沉着均明显消退。
两种方法治疗雀斑之后, 均有对激光治疗无效的病例, 而且患者年龄均相对较大, 这可能是与年老患者的皮肤的累积光损伤有关[9,10], 在这类患者中, 面部皮损虽然以雀斑居多, 但是同时也有黄褐斑及其他色沉表现, 所以疗效不明显。
通过此项研究, 我们发现长脉冲翠绿宝石激光治疗雀斑的疗效较好, 能够达到与传统的Q开关激光同样的治疗效果, 而且长脉冲翠绿宝石激光有治疗后皮肤反应相对较轻、治疗速度较快等优点, 所以长脉冲翠绿宝石激光可以成为治疗皮肤浅表性色素疾病的首选方案。
参考文献
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脉冲钛宝石激光器 篇3
1 资料与方法
1.1一般资料
本组患者40例均来自美容科门诊, 年龄15岁~45岁, 平均30岁。脱毛部位:唇毛5例, 腋毛10例, 比基尼2例, 前臂5例, 上臂3例, 小腿10例, 大腿5例。所有患者身体健康, 全身无活动性感染, 无瘢痕史。治疗前均有化学剂除毛病史, 并且有皮损或毛发的改变。
1.2 设备
采用长脉冲翠绿宝石激光755nm, 治疗参数如下:波长755nm, 脉宽20ms, 光斑大小:15mm, 能量密度:14-20J cm2. 有冷却。
1.3 治疗方法
术前用剃刀彻底剃除毛发。清洁治疗区皮肤, 常规消毒, 本组患者治疗前均未采用麻醉, 治疗时能量以患者有轻微刺感, 可以耐受为度, 局部皮肤出现微红等充血反应, 数分钟后部分毛囊周围出现水肿性小丘疹。患者及医护人员都必须戴防护眼镜, 光斑可重叠10%, 术后冰敷脱毛区30分钟到1h左右, 可使用修复皮肤药物, 如表皮生长因子、肌因修复凝胶等, 治疗期间避免日晒, 可涂防晒霜。每次治疗间隔时间4~6周。
1.4 疗效判定标准
(1) 治疗六个月后判定疗效, 判定标准:痊愈:毛发减少>75%, 新长出来的毛发变细, 颜色变淡求美者对疗效满意或比较满意;显效:毛发减少25~75%新长出来的毛发变细, 颜色变淡, 求美者对疗效基本满意;无效:疗效指数 <20%。新长出来的毛发仍较黑、较粗, 求美者对疗效不满意。
(2) 治疗后皮损均得到改善:色素沉着消失, 皮肤细腻, 光滑。毛发减少, 变细, 再生延迟, 色泽变浅。
2 结果 (见表1)
表1不同部位长脉冲翠绿宝石脱毛的治疗次数和治疗能量比较。共完成病例40例, 随着治疗次数的增加皮损逐渐的改善, 毛发逐渐变细、颜色变浅, 毛发密度逐渐降低, 所有脱毛患者脱毛治疗2~6次。患者治疗部位未见明显色素沉着或色素减退等并发症。6~12个月后随访80%患者毛发基本脱落, 还有不足5%的毛发新生, 但新生的毛发变得稀疏色淡、细软而不明显。原有皮损已治愈。
3 讨论
(1) 曾有过化学性除毛剂病史, 并且出现皮损的患者, 以长脉宽翠绿宝石激光755nm波长, 治疗后效果好。
(2) 长脉冲翠绿宝石激光脱毛采用选择性光热作用原理。
(3) 长脉冲翠绿宝石激光波长755nm, 可穿透表皮至真皮层, 选择性作用于毛囊黑素细胞, 因毛干和毛囊含有丰富的黑素细胞吸收较多热量而被破坏
(4) 化学剂除毛病史的求美者皮损中含有少量黑素细胞, 也可以吸收激光产生热量, 影响皮肤, 而光子配有专门的冷却系统, 可保护表皮免受损伤
(5) 热损伤引起胶原合成可起到嫩肤, 治疗皮肤粗糙等化学剂除毛导致的并发症。
(6) 是目前最理想的脱毛技术。
长脉冲翠绿宝石激光脱毛疗效肯定, 同时治疗无明显痛苦、相对安全、对皮肤无损伤、不留瘢痕、不影响患者的正常工作和生活, 我们认为是目前理想的脱毛方式, 值得临床推广应用。
参考文献
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脉冲钛宝石激光器 篇4
高体积分数的Si Cp/Al复合材料具有高导热性、与芯片相匹配的热膨胀系数、密度小、质量轻、高硬度和高抗弯强度等性能。同时可以通过调整增强材料数量、尺寸或两相比例,对其热物理和力学性能进行调整,使其满足功率器件轻质、低膨胀、高热导的封装要求,是高功率密度电子封装壳体的首选材料,适用于航空、航天、微波等领域。
可靠连接是材料应用于电子封装必不可少的加工手段。由于颗粒增强相的存在,使得Si Cp/Al复合材料焊接性很差,采用常用的焊接方法时会产生很多问题,如熔池金属粘度大、流动性差,粘滞的熔池金属使得扩散氢不容易析出,易在接头焊缝金属中产生气孔、夹杂和未熔合等缺陷;凝固过程中Si C增强相发生偏析现象,产生部分无增强相的铝基体,影响接头的连续性;同时,高温条件下,增强体Si C与基体Al之间会发生界面反应,生成Al4C3,严重降低接头的性能[1,2,3,4,5]。针对上述常见问题,国内外展开了诸多对于Si Cp/Al复合材料焊接的研究[6,7,8,9,10]。目前主流的思路是通过添加比C活泼的金属如Ti、Ni合金,通过原位反应抑制Al4C3的生成,取得了一定的进展。
本文针对高体积分数(vol65%)的Si Cp/Al复合材料焊接问题,开展了添加TA2合金中间层材料的脉冲激光焊接工艺的研究,制定了以焊缝成形质量为表征的评价标准,讨论了影响焊缝成形的主要因素,并通过正交试验进行了参数优化,得到最优工艺参数。
1 试验材料与试验方法
试验所用的母材是体积分数为65%的Si Cp/Al复合材料,Si C颗粒大小为50~80μm。颗粒大小不均匀,形状不规则,在基体中分布也不均匀,显微组织如图1所示。
在激光焊接高体积分数铝基复合材料时,由于增强相Si C颗粒体积分数高,使得在高温下Al基体与增强相颗粒间的界面反应更明显。
反应式(1)不仅消耗了大量的铝基体和颗粒增强相Si C,使得材料出现偏聚气孔等缺陷,而且反应所生成的针状Al4C3非常脆,大大降低了材料的断裂韧度,影响接头性能。另外,Al4C3在潮湿的空气中会进一步跟水反应生成乙炔,腐蚀焊缝。在试验前进行的无添加材料焊接中发现,接头放在空气中一段时间后自发裂开,无法达到可靠连接的要求。
为了抑制脆性相Al4C3的生成,通过添加中间层材料来抑制焊接过程中的界面反应是可行的方法。目前的主流思路是添加强碳化物来抑制反应式(1)的进行。因此,中间层材料的选择是一个关键因素。可以考虑的添加材料主要有:银基、铝基、镁基、钛基等几种。其中,银基钎料与基体铝合金的成分差异过大,影响反应后整体性能,而且价格昂贵,并不适用;而在焊接过程中热输入量过大会造成铝基材料与增强相的界面反应加强;研究表明向熔池中添加镁基材料可以获得紧密的界面,但是反应生成物质的强度较低。
Ti作为中间层材料的激光焊接可以有效抑制Al4C3的生成。这是因为在800℃以上的条件下,Ti与C的亲和力要高于Al与C,如下反应生成Ti C,从而抑制了Al4C3的生成。
文献[1]表明,上述反应式(2)可以实现添加材料(Ti)与增强相颗粒(Si C)的反应,提高添加材料与母材的润湿性。同时,在温度800℃以上,反应式(2)所需的自由能要低于式(1)所需自由能,因此在熔池结晶的过程中,反应式(2)将优于反应式(1)而先反应,从而抑制了反应式(1)的反应产物Al4C3的生成。另外,反应生成的Ti C以及可能会出现的Al-Ti等成分性能优秀,可以作为二次增强相来提高焊接接头的性能。
TA2合金是钛合金的一种,有较好的耐蚀性能和综合力学性能,如表1所示,适合用于焊接。
激光焊接系统如图2所示。采用激光作为焊接热源,以对接接头的方式将中间层材料TA2添加到母材中,采用惰性气体进行保护,添加中间层材料的量,通过调节中间层的厚度来调节。主要焊接工艺参数为:激光功率p,脉冲高度H,脉冲宽度W,频率f,焊接速度v等。
使用电火花线切割机将母材Si Cp/Al(vol65%)复合材料切割成20 mm×15 mm×2 mm的试件,试验所用TA2为不同厚度的钛箔。由于剪切会产生刃角变形,因此同母材一样采用线切割加工成15 mm×2 mm的薄片。由于铝、钛的活泼性,在空气以及线切割过程中易生成氧化膜,尤其是钛合金,表面极易生成黄蓝色的氧化层,这对于焊接质量会产生很大影响。因此要分别对母材与中间层的氧化层进行必要的处理。对于母材,使用200号砂纸打磨即可去除表面氧化层;对于钛箔,由于厚度只有0.1~0.5 mm,且尺寸很小,不易打磨,因此使用HF和HNO3混合溶液进行清洗(比例为15∶15∶70)。具体方法为:将钛箔放入混合溶液中3 s,待黄蓝色氧化层刚好消失即可拿出。处理完毕的母材及钛箔均要立即放在丙酮中进行超声清洗。
2种材料在空气中均易氧化,因此清洗完毕后如不能马上焊接,可以放在无水酒精中保存,以免再次氧化。
2 试验结果与讨论
由于影响因素多,调节范围广,如果采用全面试验的方法,需要做大量的试验。考虑到正交实验试验次数少,数据点的分布均匀,结论的可靠性较高的特点,设计了正交实验方案。根据激光器调节参数以及对焊缝质量的影响因素,设计了脉冲高度,脉宽,频率,焊接速度四因素三水平的正交试验,试验方案如表2所示。
设定焊缝成形评价标准,以焊缝中成形长度占整个焊缝长度比例为主要因素,低于20%为A级,20%~39%为B级,40%~59%为C级,60%~79%为D级,80%~100%为E级。图3为A级与E级效果图。
由图3(a)可见,中基体与中间层材料界面处有大量基体飞溅造成的缺陷,并未形成连续焊缝,成形比接近于0;图3(b)中则形成了一条完整连续的焊缝,无飞溅夹杂等现象。
在莱卡DVM-5000显微镜下分别测量每组试验所得试样的成形比。进行正交试验分析,如表3所示。
表3中,Ki表示任一列上水平号为i(i=1,2,3)时所对应的成形比之和。ki表示任一列上水平号为i(i=1,2,3)所对应的成形比的算术平均值。R为极值,表示任意一列中Ki(i=1,2,3)的最大值与最小值的差。
通过对极差分析可知,在焊接参数中,对成形比影响最大的是脉冲高度和脉冲宽度,其次是激光频率和焊接速度。最优焊接参数组是脉冲高度32%,脉冲宽度3 ms,频率30 Hz,焊接速度200 mm/min。与其他焊接参数组合相比,该组合最适用于高体积分数Si CP/Al复合材料的脉冲激光焊接,可以获得最好的焊缝成形。
对上述结论进行验证试验,取激光参数为脉冲高度32%,脉冲宽度3 ms,频率30 Hz,焊接速度200 mm/min进行焊接,结果得到了外观美观、连续无缺陷的焊缝。
3 结语
通过对添加TA2中间层的Si CP/Al复合材料脉冲激光焊接加工工艺参数的研究,设计了以脉冲高度、脉冲宽度、激光频率、焊接速度为四个因子三个水平的正交试验,考察的标准为焊缝成形比。通过正交分析得到以下结论:
1)对焊缝成形影响最大的因素分别为脉高、脉宽、频率、焊接速度,因此在焊接过程中,控制激光脉冲与速度是关键;
2)通过正交试验分析得到最优焊接工艺参数为脉冲高度32%,脉冲宽度3 ms,频率30 Hz,焊接速度200 mm/min。上述结论为进一步的试验奠定了基础。
摘要：对Si Cp/Al复合材料脉冲激光焊接工艺进行了研究。制定了一种以成形比为衡量因素的焊缝成形评价标准,研究了影响焊缝成形质量的激光参数,通过正交试验得到了最优参数组合。结果表明,对成形比影响最大的是脉冲高度和脉冲宽度,其次是激光频率和焊接速度。在脉冲高度32%,脉冲宽度3 ms,频率30 Hz,焊接速度200 mm/min时,焊缝成形质量最好。
关键词：SiCp/Al复合材料,激光焊接,焊接参数,正交分析
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