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激光焊接基础激光焊接基础哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室李俐群1.激光可以进行哪些加工?2.常用的工业激光器有哪些?各有什么样的加工特点?3.激光深熔焊的主要物理特征是什么?4.激光焊接的主要问题是什么?你应该知道:激光加工技术在工业中的应用工业激光加工技术焊接快速成形切割熔覆修复表面硬化打标成形各种加工方法的适用范围激光加工技术应用概述为什么要采用激光为什么要采用激光自动化程度高为什么要采用激光高度的灵活性为什么要采用激光高精度为什么要采用激光生产率高为什么要采用激光革新传统加工方式为什么要采用激光革新传统加工方式工业激光器的市场分布激光器制造商:美国:PRCPRAMA德国:TRUMPF(HAAS)ROFIN-SINARIPG英国:LUMONICS中国:大族、楚天世界激光加工技术的发展现状各种加工方法的应用比例切割24%焊接14%打标24%微处理14%雕刻12%打孔3%其它9%世界激光加工技术的发展现状激光在汽车加工中的应用激光束的基本物理特性通常把光波场的空间分布分解为沿传播方向的分布和垂直于传播方向的横截面内的分布,分别称为纵模和横模。光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律,对激光加工影响极大。光腔的纵模主要影响激光的频率,与激光加工关系很小。光束的模式气体激光的光能横向分布CO2激光通常用TEMmn表示横模的光场分布,TEM是横电磁波“TransverseElectromagneticWave”的缩写,m、n为正整数。横模可以是轴对称的,也可以是对光轴旋转对称的。气体激光束的模式光束的模式光斑半径光强不论是轴对称还是旋转对称,其模是一致的,称为基模。一束沿方向传播的基模光束的光强可表示为:00TEM222222()(,,)exp()()PxyIxyzzzπωω⎡⎤+=−⎢⎥⎣⎦气体激光束的模式光束的模式TEM00气体激光束的模式光束的模式TEM00TEM01气体激光束的模式光束的模式YAG等固体激光器,其光能的空间分布则远为复杂,不能用简单的数学公式描述。因为固体激光棒不可避免地存在很多缺陷,折射率不均匀,在光泵作用下受热而产生光程变化和双折射等。固体激光的光能横向分布固体激光束的模式光束的模式(1)光束传播系数K、光束衍射极限倍数M,定义如下:通常K值范围:0.1~1,M2范围:1~10K或M2为1,光束质量实际达到衍射极限。(2)光束参数积(BPP-BeamParameterProduct)决定激光加工适用范围20011KMwλπ==⋅⋅Θ20BPP=oMwKλλππ⋅⋅Θ==⋅光束质量评定光束半径激光束腰远场发散角光轴()zϖ0ϖθ∞0z光束参数积与激光功率决定加工范围光束质量评定激光束的反射、透射聚焦焦点附近,光束横截面积为焦点处2倍的两个光束横截面之间的距离称为瑞利长度或焦深。瑞利长度对焊接质量、焊接过程稳定性有重要影响。0Θ0Θ2光束的聚焦特性瑞利长度工业激光器特点与应用激光产生的基本原理工作物质→激励、受激辐射→自激振荡增益↑↑外界能量注入(泵浦)光学谐振腔工业激光器种类光纤激光器焊接,切割波长1.07um钎焊、焊接、表面处理波长0.7-0.9um打标、焊接、切割波长1.06um打标、焊接、切割波长10.6um工业激光器种类主要的固体激光器工业激光器种类不同激光器的光束质量比较国防科技工业焊接自动化技术研究应用中心激光器类型光纤激光器盘式YAG激光器棒式YAG激光器CO2激光器功率(W)50,00010,0008,00050,000波长(µm)1.071.061.0610.6光束质量(mm.mrad)28123.75光斑直径(mm)0.150.150.450.16光束模式多模多模多模单模光电转换效率25~30%25~30%3%7%传输光路光纤光纤光纤飞行光路铝合金反射率小小小大激励原理工业激光器种类不同激光器的性能比较CO2激光器波长10.6um,反射镜传输,光束质量高,功率大。激光器的应用特点激光涂覆切割工具表面涂覆CrN,TiN,TiCN,提高抗磨损性能。激光焊接CO2激光焊接三维激光切割激光器的应用特点CO2激光器的应用激光焊接汽车组合齿轮激光焊接不锈钢传感器功率:2kW焦距:150mm材料:齿轮钢深度:2.5mm速度:3.5m/min功率:1.3kW焦距:150mm材料:齿轮钢深度:1.5mm速度:5.5m/min功率:2kW焦距:150mm材料:不锈钢深度:1.5mm速度:7m/min功率:3.5kW焦距:200mm材料:不锈钢深度:1.1mm速度:8m/min激光器的应用特点CO2激光器的应用切割多层针织材料波长通常在10um左右,因此采用CO2激光器,激光能量、脉冲频率、气流速度角度、切割速度等都有较大影响。激光器的应用特点CO2激光器的应用精密切割石英玻璃无裂纹产生、切口光滑、无需后处理。激光器的应用特点CO2激光器的应用激光涂覆过程在线检测不锈钢涂覆过程温度传感器实时检测热辐射温度。激光涂覆修复航空发动机Ti6Al4V叶片,无气孔、裂纹,无氧化,变形小激光熔覆制作铝零件AlSi25和AlSi10Mg,无裂纹。激光器的应用特点CO2激光器的应用YAG激光器的应用波长1.06um,光纤传输,灵活性大,发展快,尤其适合焊接高反射率材料。分为棒式、盘式两种;盘式激光器的光束质量更好。激光器的应用特点6-轴机器人YAG激光焊接汽车顶棚(VOLVO)YAG激光器的应用激光器的应用特点YAG激光焊接铜-铝铝0.4mm,铜1mm,激光功率2kW,铝铜焊缝容易出现脆化的晶间相,产生裂纹,适当改进焊接工艺,可以避免裂纹的产生。最大焊速12m/min,焊缝宽度100um。YAG激光器的应用激光器的应用特点激光器的应用特点扫描式焊接激光器的应用特点扫描式焊接棒式YAG激光盘式YAG激光光纤激光器的应用波长1.07um,光纤传输,灵活性大,光束质量非常好,尤其适合焊接高反射率材料、大厚板。激光器的应用特点激光器的应用特点盘式激光与光纤激光的比较光纤激光盘式激光激光器的应用特点CO2激光、电子束、光纤激光的比较半导体激光器的应用波长860~900nm左右,光纤传输,体积小,光斑形状多样,光速质量不高。激光器的应用特点与常规激光器增加能量方法的不同之处激光器的应用特点激光器的应用特点IRDiodeHousingLidwithpushbuttonsWeldingofanelectronickeyDiodePower20-60WWeldingspeed3-10m/minFocaldiameter1mmOilTankTankLidWeldingofanoiltank(GFK)Diodepowerca.60WWeldingspeed1-2m/minFocaldiameter2mm半导体激光器的应用激光器的应用特点高功率半导体激光热导焊、深熔焊最大完成6mm厚不锈钢板的焊接,焊接特点:焊接过程有很强的蒸汽等离子体;焊缝组织垂直于中心线结晶;焊接过程实际上是基于热导焊过程。激光器的应用特点半导体激光器的应用厨房用具的隐式焊缝激光器的应用特点半导体激光器的应用线状光束切割6个独立的半导体激光堆栈组成5mm长的线光源用于金属线圈的切割.激光器的应用特点半导体激光器的应用环状光束焊接环型光束的中间直径5mm,功率2kW,焊接1mm的不锈钢管与板250ms。激光器的应用特点半导体激光器的应用半导体激光钎焊激光器的应用特点半导体激光器的应用半导体激光熔覆激光器的应用特点半导体激光器的应用轴高速熔覆激光器的应用特点半导体激光器的应用激光焊接原理与特点热导焊接深熔焊接热导焊传热特性深熔焊传热特性激光焊接基本原理金属汽化,形成匙孔金属蒸汽以及保护气体一部分起始自由电子被加速碰撞蒸汽粒子和保护气体使其电离电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体等离子体的形成金属等离子体激光维持燃烧波激光焊接物理特征等离子体在能量传输中的作用等离子体位于熔池上方的激光传输通道上,它对激光会产生反射、散射以及吸收,还会对激光产生负透镜效应。1、致密的光致等离子体通过吸收和散射入射光,影响了激光的能量传输效率,大大减少了到达工件的激光能量密度,导致熔深变浅;2、由于等离子体对入射激光的折射,使得激光通过等离子时波前发生畸变,改变了激光能量在工件上的作用区。激光束等离子体工件激光焊接物理特征等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件:等离子体与工件接触面的热传导等离子体辐射易为金属材料吸收的短波场光波材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失,则增强工件对激光能量的吸收。反之,减弱工件对激光的吸收。激光焊接物理特征等离子体的周期性等离子体喷发出匙孔形成羽状等离子云羽状等离子云吸收光束能量匙孔内光束能量减少,等离子体的产生作用减弱,同时匙孔熔深减小羽状等离子云逐渐消散匙孔内光束能量增加,等离子体的产生作用增加,同时匙孔熔深增大。激光焊接物理特征式中,为孔底处液-气界面的表面张力,为孔底处的曲率半径,为液体材料密度,为重力加速度,为孔深,为液体流动阻力产生的压力。材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出,形成匙孔。为形成匙孔,汽化压强应与表面张力、静压力和液相材料抛出的流动阻力相平衡。孔底汽化压强为:()2/()zPzRgzPfσρ=++σzRρgz()Pf匙孔的形成激光焊接物理特征激光经过匙孔壁的多次反射后到达孔底。孔内等离子体与孔壁均会吸收激光能量。等离子体吸收能量,通过对流和辐射将能量传给孔壁。匙孔内部的能量传递LaserbeamPlasmaKeyholeVaporjetBeadBasematerialWeldingdirection激光焊接物理特征匙孔底部激光功率密度对产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔至关重要,决定了加工过程的穿透深度。等离子体吸收----逆韧致吸收孔壁吸收--------菲涅尔吸收匙孔的不稳定性匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的匙孔壁始终处于高度波动状态,匙孔前壁较薄一层熔化金属随壁面波动向下流动。匙孔前壁上的任何凸起位置都会因受到高功率密度激光的辐照而强烈蒸发,产生的蒸汽向后喷射冲击后壁的熔池金属,引起熔池的振荡,并影响凝固过程熔池中气泡的溢出。激光束匙孔匙孔前壁匙孔后壁局部蒸发凸起喷射的金属蒸汽液态熔池激光焊接物理特征激光焊接的主要影响因素光束特性能量,脉冲或连续光斑尺寸和模式波长偏振焊接特性焊接速度聚焦位置接头几何尺寸间隙保护气成份保护方式压力、流速材料特性成份表面状态激光能量斑点尺寸光束模式偏振波长保护气成份保护方式流速接头形式几何尺寸间隙表面状况材料成份焊接速度聚焦位置激光焊接的主要影响因素激光焊接的接头设计激光焊接的主要影响因素激光焊接的接头设计激光焊接的主要影响因素合金元素的挥发焊接过程中一些高挥发性的合金元素(如硫和磷)从熔池中挥发出来,会导致气孔的产生,而且有很可能产生咬边。冷却速度非常快材料的含碳量成为一个非常重要的影响参数,对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响。金属材料的激光焊接特性激光焊接主要问题碳钢采用激光焊接时,材料的含碳量(碳当量)不应高于0.2%。碳当量超过0.3%焊接难度增加,冷裂纹倾向加大,增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。激光焊接性能较好,因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂,使得钢中含氧量降到很低程度。如果钢没有脱氧(如沸腾钢),不能用激光进行焊接,否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。镇静钢和半镇静钢含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的钢激光焊接时易产生裂纹。硫、磷含量金属材料的激光焊接特性激光焊接性能一般都较好,奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能,凝固裂纹的倾向有所增加。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3,吸收率比碳钢略高,焊接熔深约普通碳钢深5~10%左右激光焊接奥氏体不锈钢的热变形和残余应力相对较小,采用其它常规焊接方法时,奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。奥氏体不锈钢不锈钢金属材料的激光焊接特性熔化焊过程中由于马氏体的相变和晶
本文标题:激光焊接基础[哈工大讲义]
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