本发明涉及焊前分析方法以及用于与任何覆盖气体无关地利用激光来焊接金属和金属合金、特别是钛或钛合金的方法和激光器。具体地，本发明涉及预先确定焊接过程中的金属蒸汽的电子跃迁的光谱、并且提供用于消除激光束与金属和金属合金的电子跃迁的光谱之间的光学相互作用的窄带宽光纤激光器。
背景技术：
：：激光束焊接是用于通过使用激光来接合多块金属的焊接技术。然而，出于功能或美观原因，在一些应用中，诸如凝固裂纹、有孔性、材料损耗(溅射)、凸起和凹陷(底切)、未焊透、着色(氧化)等的焊接缺陷可能是不可接受的。本申请的两个申请人在复杂焊接问题方面具有创建焊接解决方案的先前经验。在2012年4月5日公布为wo2012/044285a1的pct/us2010/050626(以下为‘626app，其内容通过引用而整体并入本文)涉及用于与覆盖气体相结合地焊接钛的光纤激光器的使用。该申请描述了用于减少由光纤激光器产生的焊接所得的等离子体污染的方法和系统。根据该申请，可以通过缩小正作用于钛或钛合金工件上的光纤激光器的带宽来减少焊接污染，从而减少或消除激光束与所谓的惰性覆盖或保护气体(优选为氩)之间的光学相互作用。在该申请中假定，光纤激光束发射与覆盖气体的干涉产生烟灰，这是因为现有技术中对氩保护(覆盖)气体与nd:yag激光器相结合的使用产生有限(如果有的话)的烟灰。特别地，‘626app旨在解决如下的问题：与利用nd:yag激光器的焊接(图1)相比，使用现成的光纤激光器导致不良的光学焊接质量。‘626app公开了，这种效应是由于激光光与覆盖气体(即1050.65和1067.36nm的氩或者1066.76或1082.91nm的氦)的电子跃迁的相互作用而引起的。‘626app还教导到，改变中心波长并将激光器的发射线宽从1070±5nm减小至1064±0.5nm将避免与覆盖气体的电子能级的相互作用，从而保证具有良好视觉质量的焊接(图2)。‘626app还公开了，可以另外调整激光发射波长以使激光束与焊接材料的离子的电子能级的相互作用最小化，从而进一步改进焊接的视觉方面。在‘626app中提出的解决方案的缺点之一是，光纤激光器系统以特定的最佳配置(包括激光光谱)工作，其中该最佳配置仅考虑激光与覆盖气体(例如氩)的电子跃迁以及焊接材料的离子的电子能级的相互作用的影响。本申请阐述了如下的发现：‘626app不完全正确，引起焊缝的(由氧化、粒子沉积和类似效应或其组合造成的)着色的烟灰或其它碎屑不是因为焊接材料的离子的相互作用、或者激光的光谱与覆盖气体的光谱的相互作用而产生的。然而，本文以下阐述的解决方案仍然需要‘626app中所公开的窄带光纤激光器。提供一种被配备为提供足够功率的经济且不复杂的窄带、稳定激光器的需求使得申请人之一开发出满足这些困难要求的多模激光器。如在2014年12月11日公布为wo2014/197509a1的pct/us2014/40454(其内容通过引用而整体并入本文)中所提供的，非线性效应可导致激光发射光谱的不希望的光谱展宽，其中追求更好的功率密度。这种激光器可以适应的程度尚有待探索，更别提与单模激光器所提供的光的质量相比，这种激光器所提供的光的质量是否将足以进行焊接。因此，需要一种改进的系统和方法，用于预先选择激光光谱以焊接金属/合金、并且提供相关的焊接过程以及可以实现该焊接过程的光纤激光器。技术实现要素：本发明提供了一种用于预先选择与覆盖气体的光谱特性无关的金属/合金焊接过程的参数的方法。该方法包括：通过分析使用宽带宽能量源的金属/合金焊接过程的发射光谱来确定金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱；以及选择所述金属/合金蒸汽的任何电子跃迁的光谱之外的激光波长和线宽。因此，在电子跃迁光谱可在文献中获得的某些情况下，以上阐述的第一实验步骤可以不是必需的。根据本发明，一种用于预先选择与覆盖气体的光谱特性无关的金属/合金焊接过程的参数的方法包括：通过分析使用宽带宽能量源的金属/合金焊接过程的发射光谱来确定金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱，或者从文献中获得关于金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱的信息；以及选择所述金属/合金蒸汽的任何电子跃迁的光谱之外的激光波长和线宽。然而，如果不可以选择所述金属/合金蒸汽的任何电子跃迁的光谱之外的激光波长和线宽，则激光波长和线宽被修改为使得与高振荡器强度线的相互作用最小化。应当注意，高振荡器强度通常意味着吸收特定波长的光子的概率很高。可立即受益于本发明的金属/合金系统是钛或钛合金，其可以例如在医疗应用中使用以制造需要清洁焊缝的医疗装置。如以下所提供的，避免等离子体羽流中的钛蒸汽的光谱使得焊接基本上没有碎屑。虽然‘626app涉及使烟灰最小化，但申请人认识到烟灰和其它污染物可能导致焊缝着色(由氧化、粒子沉积和类似效应或其组合造成)，因此使用术语碎屑代替烟灰。本发明还提供了一种用于在工件中与覆盖气体的光谱无关地创建金属/合金焊接的方法。该方法包括选择多个光谱带宽中的避免金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱的一个光谱带宽。特别地，用于创建与覆盖气体的光谱无关的工件金属/合金焊接的方法优选包括以下步骤：选择多个光谱带宽中的避免所述金属/合金蒸汽的电子跃迁的光谱的一个光谱带宽；提供具有足以利用所述光谱带宽中的一个光谱带宽创建焊池的功率的光谱稳定的激光器；以及使所述工件受到来自所述激光器的足以创建焊接的输出。很明显，这需要实践上述预先选择分析。为了实现焊接，必须提供具有足以利用所述光谱带宽中的一个光谱带宽创建焊池的功率的光谱稳定的激光器，其输出功率足以创建焊接。特别地，金属/合金优选为钛或钛合金。在用于创建金属/合金焊接的方法的另一优选实施例中，焊接的特征在于基本上没有由于等离子体碎屑的着色。进一步地，焊轨的特征优选在于基本上没有几何高度或宽度波动。焊轨沿激光焊线具有或多或少的周期性高度波动。这些波动是由材料凝固过程中热流的波动而引起的，受所吸收的激光的波动强烈影响。在用于创建金属/合金焊接的方法的又一优选实施例中，从焊接过程实时检测到的信号基本上没有基于吸收的干扰。焊接过程期间的信号检测受到来自金属蒸汽羽流激光相互作用的信号的扰乱。因此，减少蒸汽羽流中的吸收将显著提高信号检测质量，其中后者包括降低信号的强度或者甚至信号的存在。虽然迄今为止进行的实验涉及钛和钛合金的使用，但本发明并不仅限于这些材料。预期这里所述的钛羽流的物理学性质适用于其它金属/合金材料或系统。本发明的重点是避免创建具有着色的焊接，这种着色是由于从等离子体脱落的碎屑引起的。如实验结果清楚提供的那样，操纵激光光谱以避免金属/合金蒸汽导致羽流几何形状是与存在干涉不同的情况。本发明还提供了一种窄带光纤激光器、尤其是具有稳定窄带束发射的多模光纤激光器，其被定制为产生具有必要参数的激光束。该光纤激光器包括：光纤布拉格光栅，其被预先选择为在预定窄光谱带宽中发射输出，所述窄光谱带宽与(如上述确定的)避免金属/合金蒸汽的电子跃迁光谱的光谱带宽相对应；有源光纤，其被配置为抑制非线性；以及二极管激光器，其被配置为向所述有源光纤进行泵浦(pump)，因此所述有源光纤可以在所述窄光谱带宽中发出激光。抑制非线性是本发明的一个重要方面，因为激光器必须可靠地在窄带宽中发射，并且为此配置的现有技术单模激光器需要附加组件来实现这一点。如上所述，这种窄带光纤激光器系统的经济且不复杂的示例可以在2014年12月11日公布为wo2014/197509a1的国际申请pct/us2014/40454(其内容通过引用而明确并入本申请以避免重复)中找到。总体上，pct/us2014/40454公开了一种具有法布里-珀罗(fabry-perot)配置的振荡器。特别地，所公开的振荡器配置有多横模或简单多模(“mm”)阶跃折射率有源光纤。有源光纤的相对端耦合至相应的mm无源光纤。谐振腔限定在被写入mm无源光纤的相应纤芯中的两个mm光纤布拉格光栅之间。众所周知，单模(sm)光纤激光器中的线展宽的主要原因之一是存在随着功率的增加而变得更明显的所谓非线性效应(“nle”)，诸如拉曼散射和四波混频。可以通过增加纤芯直径和腔长来降低nle的阈值。因此，以大直径纤芯和较小腔长为特征的mm光纤的特征在于相对窄的光谱线宽。同样在这种情况下，金属/合金优选为钛或钛合金。用于本发明的激光器的优选实施例是多模激光器，其具有大模面积有源光纤以使非线性最小化并提供如下的简单振荡器，其中该振荡器可以提供使用窄带宽输出的高效且经济的焊接系统。进一步，激光器优选地被配置为提供多模输出。在根据本发明的激光器的另一实施例中，窄光谱带宽的中心波长优选在1020nm至1090nm的范围内。在又一实施方案中，窄光谱带宽的中心波长优选在1400nm至2100nm的范围内。具体实施方式图1～8示出与本发明相关的不同方面，即：-图1示出在氩气氛下使用nd:yag(左)和现成1070+-5nm光纤激光器(右)(1kw峰值功率、1.5ms脉冲持续时间)的焊点。-图2示出使用改进型窄线宽光纤激光器(1064±0.5nm)的焊点。-图3是利用窄带1064±0.5nm光纤激光器观察到的典型羽流的高速图像。羽流内的动力学性质由右图中的箭头指示。-图4示出标准1070±5nm光纤激光器(左)和窄带1064±0.5nm光纤激光器(右)的羽流膨胀。-图5示出使用1071.1±0.5nm激光器未观察到点着色，其中1071.1±0.5nm激光器命中tiii(其中如以下所说明的，tiii代表离子，以及tii代表ti原子)在1070.7nm的电子跃迁以及氩在1071.3和1071.5nm的电子跃迁(1kw峰值功率、1.5ms脉冲持续时间)。-图6示出使用锆和标准1070±5nm光纤激光器观察到的羽流形状和点着色，其中标准1070±5nm光纤激光器命中zri(即，处于气相的锆原子)的十一次电子跃迁。-图7示出使用锆和窄带1064±0.5nm光纤激光器观察到的羽流形状和点着色，其中窄带1064±0.5nm光纤激光器未命中zri的电子跃迁。-图8示出在氩气氛(左)和氦气氛(右)中使用标准1070±5nm光纤激光器的羽流膨胀和焊接着色。改进的视觉方面是由于在氦气氛(较低密度)的情况下的羽流膨胀不受阻碍。-图9示出nist数据库(上)和kurucz线列表(下)中所列举出的tii蒸汽的电子跃迁(开环)的位置。-图10示出在1060至1080nm范围内的具有从kurucz线列表获得的相应振荡器强度(gf值)的不同激光发射谱和tii电子跃迁(环)位置。-图11示出在1060至1080nm范围内具有高于标准偏差的振荡器强度(gf值)的不同激光发射谱和tii电子跃迁(环)位置。-图12示出所公开的mm光纤振荡器的光学示意图，以及图12a示出其中可以使用的典型多模有源光纤。申请人认为，与本发明相关联的研究表明，‘626app中识别的现有技术焊接中的着色效应实际上是羽流膨胀的动力学性质的结果。羽流从焊接膨胀，从而形成涡流，并且不能跟随涡流的粒子沉积在焊缝周围(如图3所示)。在提供不良视觉焊接质量的激光和良好视觉焊接质量的激光(标准1070±5nm激光相对于窄线宽激光器1064±0.5nm激光)之间的羽流膨胀的直接比较表明，标准激光的羽流明亮得多且紧凑，从而形成在焊接材料上方循环的一个大涡流(图4)。这导致焊缝周围的粒子沉积增加，从而造成视觉质量差。激光羽流的发射光的光谱分析已经表明，没有观察到来自覆盖气体(氩)的发射。此外，在1064±0.5nm激光的羽流中，仅存在中性钛种类(钛原子，tii)。因此羽流仅包含钛蒸汽(“蒸汽羽流”)。在1070±5nm激光的羽流中，存在中性钛(tii)以及钛离子(tiii)的种类(“等离子体羽流”)。本发明提出，在使用标准1070±5nm激光器时发生钛的电离，并且所得到的等离子体羽流与蒸汽羽流相比示出显著不同的膨胀特性，从而导致增加的粒子沉积并因此导致焊接着色。为了避免不利的羽流膨胀动力学性质，必须避免羽流的电离。电离可以通过激光与蒸汽(在这种情况下为钛)的电子跃迁的相互作用而发生。因此，电子跃迁的能级必须满足激光波长。nist原子光谱数据库(参见kramida,a.、ralchenko,yu.、reader,j.和nistasdteam(2015).nistatomicspectradatabase(版本5.3),[在线].可获得自http://physics.nist.gov/asd[2016年8月18日].美国国家标准与技术研究院,gaithersburg,md)列出了落在现成光纤激光器(1065～1075nm)的波长范围内的12条钛蒸汽(tii)光谱线以及7条钛离子(tiii)光谱线。该nist原子光谱数据库没有列出落入窄带激光器(1063.5～1064.5nm)的波长范围内的钛蒸汽(tii)光谱线或钛离子(tiii)光谱线。提供与光谱线相关物质有关的信息的另一文献示例是可获得自http://kurucz.harvard.edu/linelists/gfnew/的所谓的kurucz线列表。该列表显示与钛的电子能级有关的附加信息。虽然nist数据库列出了在现成光纤激光器(1065～1075nm)的波长范围内的12条钛蒸汽(tii)光谱线，但kurucz线列表提供了与该范围内的99条线有关的数据。氩(覆盖气体)在羽流的电离中不起作用(未观察到氩发射)。这进一步被outred支持(参见m.outred,tablesofatomicspectrallinesforthe10000ato40000aregion,j.phys.chem.ref.data7,1(1978))，outred报告在落入提供良好视觉焊接质量的窄带光纤激光器的范围内的1063.8和1064.0nm处存在氩线。为了证明中性钛(钛蒸汽)的相互作用是电离的原因、并且与钛离子(等离子体)以及覆盖气体的线的相互作用起次要作用，申请人ipgphotonicscorp构造了具有1070.6～1071.6nm之间的窄发射的附加光纤激光器。nist原子光谱数据库没有列出该波长范围内的钛蒸汽(tii)光谱线，而列出了该波长范围内的一条钛离子(tiii)光谱线。outred的上述出版物列出了该波长范围内的两条氩光谱线。因此，激光命中‘626app中被认为是相关的所有跃迁(覆盖气体线、钛离子)，但可以获得良好的视觉焊接质量(图5)。通过使用与钛不同的材料观察相同的效应，加强了原理(避免由于激光蒸汽相互作用而产生的电离)的一般性。这种材料的示例是锆(zr)。outred(参见上面参考文献)报道了落入现成光纤激光器(1065～1075nm)的波长范围内的11条zri光谱线。未报告在窄带激光器(1063.5～1064.5nm)的波长范围内的线。图6示出使用现成激光器的羽流形状和点着色，而图7示出窄带激光器(1063.5～1064.5nm)的羽流形状和点着色。该发现与先前示出的钛的结果一致。以上实验允许申请人得出许多结论。着色源于焊缝周围的钛粒子的沉积。粒子沉积取决于羽流膨胀：相比于缓慢的羽流膨胀，快速的羽流膨胀提供更好的视觉质量。激光发射与钛蒸汽(中性原子，tii)的电子能级的相互作用导致钛的电离，从而形成钛离子和自由电子。这种羽流现在可被称为等离子体。与蒸汽羽流相比，等离子体羽流显示出不同的膨胀行为：等离子体羽流更紧凑并且膨胀得非常缓慢。因此更多的粒子沉积在焊缝周围，从而导致强着色。因此，必须避免羽流的电离(等离子体羽流的产生)。因此，激光输出的光谱不应干涉正被焊接的材料的蒸汽(中性原子)的任何电子跃迁的光谱。在激光波长和能级不匹配的情况下，不会发生相互作用，因此不会发生光电离。但是，对nist原子光谱数据库之外的可选数据库(例如kurucz线列表)的审查揭示了与钛的电子能级有关的附加信息。虽然nist列出了在现成光纤激光器(1065～1075nm)的波长范围内的12条钛蒸汽(tii)光谱线，但是kurucz线列表提供了与该范围内的99条线有关的数据。因此，提供不会命中这些跃迁中的任意跃迁的光纤激光器将极其困难(如图9所示)。在这种情况下，所谓的吸收效率(也称为振荡器强度)变得重要：一些电子跃迁可能比其它电子跃迁更高效地吸收激光辐射。因此，尽管电子跃迁被命中，但是也可能会获得良好的视觉焊接质量。然而，评估这种吸收效率需要广泛的研究。因此，避免每个跃迁(如果可能的话)正是最简单的方式。由于kurucz列表中也报告了振荡器强度(loggf)，因此可以识别重要的线。例如，可以在1060～1080nm范围内调谐光纤激光器以用于ti焊接。根据文献中已知的所有数据，不存在光纤激光器可被调谐至的电子跃迁“间隙”(图9)。因此，必须通过实验室实验或者通过使用文献中可获得的数据(振荡器强度的确定)来识别重要的跃迁。对于钛，可以获得kurucz列表的振荡器强度值(图10)。现在可以将重要的线定义为具有高于所选择的波长范围内的所有gf值的标准偏差的gf值(线性标度，而不是loggf)的线(图11)。最后，修改激光器的发射谱以尽可能地避免“重要”的波长。因此，如果不可能选择金属/合金蒸汽的任何电子跃迁的光谱之外的激光波长和线宽，则根据本发明来如此修改激光波长和线宽，使得与高振荡器强度线的相互作用最小化。激光与离子的相互作用起次要作用，因为必须存在离子才能使这种相互作用发生。然而，当它们存在时，已经太晚了。不能发现激光/覆盖气体之间的相互作用的证据。然而，由于气体密度的差异，因此覆盖气体将影响羽流动力学性质。例如，氦(密度比氩低10倍)允许羽流更容易膨胀，并提供良好的视觉焊接质量(参见图8)。但这与激光/气体相互作用无关。最后，图12示出配置有增益介质的多模(“mm”)光纤激光器或振荡器10，其包括掺杂有可根据本发明使用的光发射器的mm光纤12。众所周知，光发射器包括选自镱(“yb”)、铒(“er”)、钕(“nd”)、铥(“tm”)、钬(“ho”)、镨(“pr”)、铈(“ce”)、钇(y3+)、钐(sm3+)、铕(eu3+)、钆(gd3+)、铽(tb3+)、镝(dy3+)、镥(lu3+)以及这些的各种组合的稀土元素的离子。有源阶跃折射率光纤12配置有能够支持通常与大于20的纤芯直径相关联的大量横模的纤芯。如光纤激光器领域的技术人员所知的，一旦阶跃折射率光纤的纤芯直径超过30μm直径，该阶跃折射率光纤就不能继续支持单模。有源光纤12的配置还可以具有一个或多个包层，其中这些包层以普通技术人员公知的方式包围纤芯。振荡器10还配置有两个mm无源光纤14，其被熔合到有源光纤12的各相对端。mm无源光纤各自配置有基本上与有源光纤12相匹配的纤芯直径和数值孔径。泵20包括一个或多个mm尾纤激光二极管，其中mm尾纤激光二极管以侧面泵浦方案布置、并且具有与所选择的掺杂离子的吸收峰相对应的发射峰。无源光纤、有源光纤和泵浦光纤的组合如图12所示地组合、并且可选地放置在壳体(未示出)中以构成单个增益块。激光器10具有法布里-珀罗配置，其谐振腔被限定在间隔开的分别具有强反射率和弱反射率的mm光纤布拉格光栅(“fbg”)16和18之间。fbg16和18被写入相应的mm无源光纤14中。虽然fbg可以被写入有源光纤中，但这在技术上可能具有挑战性。单模(“sm”)高功率光纤激光器的数千瓦的实现已经达成、并且已经可以在市场上获得。连续波sm操作的现有技术示范目前约为10kw，并且已经预测sm工作电平超过30kw。虽然光纤激光器在高功率下保持极好的光束质量的能力是无可争议的，但是由于它们一般用于处理具有宽吸收带的材料，因此几乎不关注激光线宽。然而，某些应用需要选择性光谱线。应当缩小激光的光谱线宽，以避免例如通过高成本的单频sm光纤激光器才能实现的吸收峰值。众所周知，sm光纤激光器的线展宽的主要原因之一是存在随着功率的增加而变得更明显的非线性效应(“nle”)，诸如拉曼散射和四波混频。可以通过增加纤芯直径和腔长来降低nle的阈值。因此，以大直径纤芯和较小腔长为特征的mm光纤的特征在于相对窄的光谱线宽。本发明的有源mm光纤12完全满足相对高的nle阈值的要求。在一个实施例中，mm有源光纤12的配置可以包括典型的圆柱形光纤。在另一实施例中，有源光纤可以配置有如图12a所示的双瓶颈形状，其具有两个相对小直径的输入和输出纤芯区域11、中心相对大直径的中央放大纤芯区域13、以及使中央区域的相对端与端部纤芯区域的各相对端桥接的两个锥形区域15。放大区域的增大的直径有助于进一步增加纤芯直径，减小光纤长度，并且最终提高nle阈值并缩小光谱线宽。图12a中所示的mm有源光纤的包层可以配置有典型的圆柱形截面，或者可以具有与纤芯相同的双瓶颈形状。对于所公开的激光器，满足许多工业要求(诸如某些类型的材料激光处理)的光谱线宽可以在0.02nm至约10nm之间变化。可以通过仔细地选择纤芯直径、谐振腔的长度、mm布拉格光栅的配置、掺杂浓度等来获得期望的光谱线。当前第1页12当前第1页12