激光焊接技术

第6章激光焊接与切割6.1激光及其产生6.2激光焊6.3激光切割6.4激光加工的安全问题6.1激光及其产生•激光是二十世纪最重大的科学发现之一，它与原子能、半导体和计算机并称为二十世纪的四大发明。第一台激光器T.E.Maiman6.1激光及其产生6.1.1激光的特点激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）意思是“光受激辐射放大”。即，通过原子受激辐射使工作物质受激励而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束。激光的特性（1）高方向性激光发散角小，接近平行光，可用于定位、导向和测距等。（2）亮度高(光强)聚焦后光斑上的功率密度达1015W/cm2或更高，其亮度比太阳光要亮100亿倍，可以进行材料加工或医疗外科手术。（3）高单色性其单色性比一般光高108-109倍以上，可把激光波长作为长度的标准进行精密测量，或把其周期用作时间测量标准，应用于激光通讯等。（4）高相干性单色性越好相干长度越长，可用于较长工件的高精度测量与校验。激光在加工领域的应用材料加工由手工加工火焰加工电加工，而激光加工的出现正促使光加工时代转变，被誉为“未来制造业的共同加工手段”。激光加工代表着当前材料加工业的发展方向。世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率、降低成本、提高产品质量以及具有国际竞争力的重要手段，将带来良好的经济效益和社会效益。激光束能量密度高，加工速度快，工件变形小、热影响区小，后续加工量小；它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点材料。激光加工主要工业领域汽车电子与电器钢铁机械其他航空与航天船舶建筑6.1.2激光的产生原子系统是一系列不连续的能级，正常情况下电子绕原子核匀速运动；当有外界作用时，原子与具有特定频率的外界粒子相互作用，发生光子的受激吸收和受激辐射，释放出双倍的光子，该光子的频率方向、相位、振幅等与外来光子完全相同，因此受激辐射使外来激励光加强，具有光的放大作用。受激辐射是激光产生的物理基础。hn自发辐射E1E2随机,独立进行,无关联;相位,偏振,方向随机;能量分布许多模式受激吸收E2hn受外来光刺激nn=E2-E1/h受激辐射hn2hn受外来光刺激n,产生与入射光子属同一状态的光子,受激吸收的逆过程激光的产生示意图•为了使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来照射工作介质进行电激励；也可用脉冲光源进行光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。激光产生的激励体系粒子数反转示意图E2E1激光产生的工作物质•激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。激光产生的谐振腔•激光的产生除了要实现粒子数的反转分布和工作物质中光的放大作用外，还必须使光在谐振腔内产生振荡，使放大的沿轴向的光作为反馈进一步放大增强。•所谓谐振腔就是在工作物质的两端面直接蒸镀上多层介质膜作为反射镜，或者装两块反射镜组成。光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出形成激光。激励能源全反射镜部分反射镜激光谐振腔原理6.2激光焊6.2.1激光焊原理、特点及其应用一、激光焊及其应用•激光焊是利用高能量密度的激光束轰击焊件所产生的热量进行焊接的一种高精密熔焊方法。•激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到日益广泛应用。（a）铝合金（b）不锈钢（c）冷轧钢板不同材质激光焊接焊缝激光焊接的金刚石锯片二、激光焊的原理•激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶实现焊接。•按激光器输出能量方式不同，激光焊接分为脉冲激光焊和连续激光焊；而据激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。(1)传热焊采用的激光光斑功率功率密度小于105W/mm2时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊。传热焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，大部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于厚度小于1mm件的焊接加工。（a）（b）（c）不同功率密度时的加热现象(2)深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时(≥106W/mm2)，在激光的照射下，金属表面温度在极短的时间内(10-8～10-6s)升高到沸点，使金属熔化和汽化。金属蒸汽迅速逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，同时向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周，形成小孔。当光束能量所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。三、激光焊的工艺特点激光焊的优点：（1）焊接速度快、能量密度高、灵活性大。深宽比可达5：1，最高可达10：1。（2）可在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；在各种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。（3）焊接难熔材料并能实现异种金属的焊接，也可用于非金属材料的焊接，如钛、石英等。（4）可以借助偏转棱镜或通过光导纤维引导到难以接近的部位进行焊接。（5）可进行微型焊接。激光束经聚焦后能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。（6）大多数情况下激光焊接不需要填充材料，消除了焊接材料产生的污染，降低了有益合金元素的烧损。激光焊的缺点（1）设备复杂、投资大、功率较小，可焊接的厚度受到一定的限制。（2）激光器及用于激光束传导和聚焦的附属系统成本和操作成本高。（3）焊接中有大量反射。性能激光焊电阻焊电子束焊钨极氩弧焊产生热量低中等至高中等高焊缝质量优良优优焊接速度中等中等高高原始成本中等低高低操作维修费用低低中等低夹具费用低高高中等可控性极好差好好自动化实现程度极好好好好可焊异种材料范围极宽窄宽窄激光焊与其它焊接工艺的比较激光焊接的金刚石锯片6.2.2激光焊接主要性能及参数1激光焊接主要性能获得激光效应的三个基本条件是适宜的材料、恰当的能源和可促进受激发射的设计。激光材料是必不可少的，它的主要性能是受激发射的能力，另外还有以下性能：（1）激励源对激光材料激励时必须发光。（2）发射跃迁必须有足够长的自发发射衰变期，从而能达到粒子数反转。（3）材料的吸收性能必须是能吸收大部分的激励能，并能有效的获得超过发射跃迁高能级的粒子数。（4）发射跃迁光谱的宽度必须较小。2激光焊接的重要参数（1）功率密度功率密度是激光加工中最重要的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量气化。因此高功率密度对材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层气化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。（2）激光脉冲波形当高强度激光未射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，尤其对于薄片焊接。（3）激光脉冲宽度（略）（4）离焦量对焊接质量的影响激光焊接通常需要一定的离焦量，焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。3激光焊接的设定条件激光焊接的设定条件包括下面两点：(1)激光功率：是使树脂熔化的热源。(2)扫描速度：是激光束的移动速度。同时，就材料而言，下面两点也很重要：(3)透射性材料的光线透射率(4)透射性材料的厚度思考题•1简述激光焊的基本原理。•2激光焊接有哪些优缺点。激光焊设备示意图激光焊接设备主要包括激光器、导光系统、控制系统、工件夹具及运动系统等主要部件和光学元件冷却系统、保护装置、质量和过程监控系统等外围设备。6.2.3激光焊接设备1激光器激光器是激光焊机的心脏。焊接激光器按激光工作物质状态可分为固体激光器和气体激光器；按其能量输出方式可分为脉冲激光器和连续激光器。•（1）激光器的组成激光器主要由激光工作物质、激励源、谐振腔、电源、控制冷却系统和聚光器组成，工作物质是激光器的核心，用来产生光的受激辐射，根据激光工作物质状态不同，激光器分为固体激光器和气体激光器。高压充电电源触发电路激光出光镜全反光镜工作物质谐振腔脉冲氙灯激光器结构示意图（2）固体激光器•固体激光器主要由激光工作物质（红宝石、YAG（YttriumAluminumGarnet）或钕玻璃棒）、聚光器、谐振腔（全反射镜和输出窗口）、泵灯、电源及控制设备组成。其中YAG激光器又名掺钕钇铝石榴石固体激光器。工作物质为掺钕钇铝石榴石，以YAG为基质，在YAG中加入少量的Nd2O3，以Nd3+作为激活物质。YAG的激光波长为1.06μm，具有波长短、聚光性好，稳定性好等优点；缺点是YAG激光器能量转换过程中环节多，效率低（转换率只有百分之几），输出光束发散角大。YAG固体多功能激光加工机JHM-1GY-500型脉冲多功能激光加工机JHL-1GY-1000A连续固体激光加工机YAG固体多功能激光加工机主要组成YAG固体激光器冷却系统外光路导光系统激光指示系统工作台监视系统（3）气体激光器焊接（和切割）所用的气体激光器大都是CO2激光器。也是目前工业应用数量最大、最广泛的一种激光器。CO2激光器工作气体的主要成分是CO2、N2、He，还有少量的水蒸气和Xe。CO2分子是产生激光的粒子；N2分子用于与CO2分子共振交换能量，使CO2分子受激励，增加较高能级上的CO2分子数；He的主要作用是通过He分子和CO2分子相碰撞，使CO2分子从较低能级尽快回到基极。多功能CO2激光加工成套设备1.多功能CO2激光加工成套设备主要组成高功率（5KW横流）CO2激光器双温水冷机组导光及聚焦系统同轴指示系统激光加工机床控制系统辅助设备CO2激光器的组成CO2激光器输出功率为数毫秒，最大可输出几百千瓦的连续激光。CO2激光器能量转换功率大大高于固体激光器，其理论转换率为40%，实际应用中最小也能达到15%。CO2激光器输出激光波长10.6µm，属于红外光，可以在空气中传播很远且衰减很小。ProductiontechnologyProvenhighperformancelaserweldingtechnologywithadaptablematerialhandlingsectionsconfiguredtotheneedsoflocalmarketsContilaserweldingmachinebyThyssenKruppLasertechnikH420LAZE75/751.0mmH180BZE75/750.75mmNonlinearlaserweldMaterial:MicroalloyedHSLA+BakeHardeningTechnology:Non-linearlaserblankweldingStamping:LHandRHinonehitSource:VoestalpineEuroplatinenGmbH&CoKGLaserweldedblank-BodysideinnerBMW7-series高功率横流CO2激光器的主要技术指标•额定输出功率5.0KW（多模）•最大输出功率5.5KW（多模）•输出方式连续波输出•放电方式针板式放电•激光波长10.6µm•功率不稳定度≤±2%•功率调节范围2%—100%•光电转换效率14~16%•运转噪音≤65dB•光束发散角≤3mrad（全角）•光束尺寸φ35mm•激光器额定输出运行时间≥24hr•激光输出镜寿命≥1000hr•工作气体比例CO2：N2：He=1：8：20（有He工作气体比例）CO2：N2：Ar=1：