激光焊接基礎(chǔ)知識(shí)

1、米亞奇公司 Nd（釹）:YAG激光器激光焊接指南米亞奇公司2003年版此處包含的材料，未經(jīng)米亞奇公司書面同意，嚴(yán)禁復(fù)制或用于任何用途聯(lián)系方式：米亞奇公司Myrtle大道 1820號(hào)蒙羅維亞CA, 91017-7133Tel.: 626 303 5676 Fax: 626 599 9636 目錄1.激光基礎(chǔ)1.1 介紹1.2 激光產(chǎn)生的原理1.3 Nd:YAG激光的介質(zhì)1.4 泵浦源1.5 諧振器1.6 激光安全2.激光焊接基本原理2.1脈沖激光焊接 2.1.1實(shí)時(shí)功率反饋 2.1.2輸出功率斜波 2.1.3脈沖的成形 2.1.4時(shí)間的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的傳輸 2.1.7聚

2、焦頭 2.2激光是怎么實(shí)現(xiàn)焊接的 2.3主要焊接參數(shù) 2.3.1接縫設(shè)計(jì)與配合 2.3.2部分聚焦 2.3.3材料的選擇和其表面鍍層 2.4激光的參數(shù) 2.4.1名詞術(shù)語(yǔ) 2.4.2光學(xué)系統(tǒng) 2.4.3聚焦鏡片 2.4.4峰值功率和脈沖寬度 2.4.5接縫的焊接 2.4.6保護(hù)氣體2.5焊接舉例1. 激光基礎(chǔ)1.1 介紹“激光”一詞是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射而放大的光）的縮寫，激光器的要素有：1.激光介質(zhì)2.輸入泵浦3全反射鏡4.前端反射鏡5.共振器Nd:YAG激光器有兩種類型，連續(xù)波的和脈沖波的，

3、正如它們的名字所指，連續(xù)激光的波形要么是開，要么是關(guān)，但脈沖激光只用部分脈沖完成焊接。脈沖激光利用峰值功率進(jìn)行焊接，反之連續(xù)激光使用的是平均功率，這使得脈沖激光只用很小的能量就能實(shí)現(xiàn)焊接，并形成了更小的熱影響區(qū)，脈沖激光焊提供了無與倫比的點(diǎn)焊性能和極低的焊接熱輸入，米亞奇的就是脈沖激光焊機(jī)。1.2 激光產(chǎn)生的原理激光本質(zhì)上是分三步產(chǎn)生的，發(fā)生幾乎是瞬間的。1. 泵浦源給介質(zhì)提供能量，將介質(zhì)內(nèi)部原子激活，使得帶電原子暫時(shí)被激發(fā)到高能級(jí)，處在此活躍級(jí)的帶電原子是不穩(wěn)定的，于是躍遷到低能級(jí)，在這個(gè)過程中，從泵浦源吸收能量的電子釋放多余的能量并輻射出一個(gè)光子，這個(gè)過程叫做自發(fā)輻射，通過這種方式產(chǎn)生的光

4、子是激光的種子。2. 光子自發(fā)傳播并最終撞擊到別的處于高能級(jí)的電子，由于光速極快，處在激發(fā)態(tài)的原子的密度很大，所以這個(gè)過程是極其短暫的，入射光子將電子從高能級(jí)激發(fā)到低能級(jí)并產(chǎn)生另一個(gè)光子，這兩個(gè)光子是相干的，這意味著它們相位相同，波長(zhǎng)相同，傳播方向相同，這個(gè)過程叫做受激輻射。3. 光子傳播方向是不定的，然而一些沿著介質(zhì)傳播的光子撞擊共振器的反射鏡，又通過介質(zhì)反射回來，共振反射鏡決定了受激輻射的優(yōu)先擴(kuò)大方向，為了使這個(gè)擴(kuò)大發(fā)生，那處在活躍態(tài)能級(jí)的原子數(shù)量必須遠(yuǎn)大于處在低能級(jí)原子的數(shù)量，這種大量處在活躍能級(jí)的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)“是產(chǎn)生激光的必需條件。諧振器泵浦能量電子兩個(gè)激光光子基態(tài)活躍態(tài)泵浦能量電子激

5、光光子基態(tài)活躍態(tài)圖B: 激光產(chǎn)生的三個(gè)階段的簡(jiǎn)化圖示，包括：（1）自發(fā)輻射（2）受激輻射（3）放大1.3 Nd:YAG激光介質(zhì)Nd：YAG激光焊接者所用的激光棒是一種合成的釔鋁石榴石晶體，主體材料是含有一小部分釹的YAG材料，一種活性元素，在釔離子中加入釹離子叫做摻雜，通常的摻雜比例約為1，1.5%，選擇最佳的激光效果和防止過度應(yīng)變的晶體為摻雜時(shí)機(jī)，因?yàn)镹d3+離子體積大于Y3 +離子，YAG晶體是激光材料Nd3+的理想主體材料，硬度高，穩(wěn)定，光性均勻的，并具有良好的導(dǎo)熱性，允許激光在高平均功率水平工作，釹是一種很好的激光材料，因?yàn)樗墚a(chǎn)生比任何其他摻雜元素都要高的功率，激光棒的功率和光學(xué)性能

6、決定了它的尺寸，由于晶體質(zhì)量和熱管理，激光棒的最大尺寸限制在了長(zhǎng)度200mm和直徑15mm。1.4 泵浦源使活躍的介質(zhì)產(chǎn)生激光，需要輸入外部能量或泵浦源，泵浦源的選擇取決于激光介質(zhì)的類型和激光的類型，Nd：YAG晶體是一種固態(tài)激光器，即介質(zhì)是固態(tài)晶體，并用光的能量作為泵浦源，光能是由脈沖激光焊機(jī)閃光燈提供的。1.5 諧振器諧振腔的設(shè)計(jì)對(duì)激光束的發(fā)射質(zhì)量和空間功率分布有著重要的影響，最常用的諧振器設(shè)計(jì)成由兩個(gè)球形或平面反射鏡面對(duì)面，光束的傳播特性是由反射鏡的曲率和它們之間的距離決定的，光鏡的曲率和間距的優(yōu)化需要復(fù)雜的分析，這是因?yàn)榧す獍糁挟a(chǎn)生激光的過程中的熱效應(yīng)將其更加復(fù)雜化了，當(dāng)激光吸收泵浦能

7、量時(shí)，激光棒就被加熱。如果泵浦能量的頻率超過晶體的熱弛豫時(shí)間，晶體的溫度就會(huì)升高，這導(dǎo)致在激光棒晶體溫度梯度引起的熱透鏡效應(yīng)，使晶體作為透鏡的衍射的激光功率的降低，這個(gè)過程在晶體激光棒中引起溫差，并通過晶體棒像透鏡一樣衍射激光而導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)。脈沖激光焊接的泵浦腔給閃光燈和激光棒提供房間，它一般設(shè)計(jì)成內(nèi)壁鍍金的橢圓形狀，用來反射從閃光燈傳播到晶體棒的所有的光，流動(dòng)的水浸沒整個(gè)泵浦腔來冷卻閃光燈和激光棒。鏡子鏡子閃光燈泵浦腔激光棒圖C: Nd:YAG脈沖激光焊的主要組成是一個(gè)用閃光燈的光學(xué)泵浦1.6 激光安全在美國(guó)，美國(guó)食品藥物管理局CDRH對(duì)激光安全問題負(fù)有管理權(quán)，此外，美國(guó)的激光研究所提供了

8、激光安全的指導(dǎo)方針和實(shí)踐，除了與操作任何設(shè)備相關(guān)聯(lián)的名義危害外，用Nd YAG激光相關(guān)的主要風(fēng)險(xiǎn)是涉及與激光物質(zhì)直接或間接的眼睛接觸，由于人眼實(shí)際上將激光束直接聚焦到視網(wǎng)膜上，激光操作員和在激光附近的其他所有人，必須長(zhǎng)時(shí)間工作在眾所周知的一級(jí)眼安全環(huán)境，激光有四個(gè)級(jí)別，從四級(jí)到一級(jí)，一級(jí)是最安全的，一級(jí)眼安全環(huán)境要么通過帶上任何合適的安全護(hù)目鏡，要么所有激光物質(zhì)包含在一級(jí)密封的機(jī)箱或工作站內(nèi)，CDRH提供激光制造商和用戶具體規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和每種類型的激光和能量級(jí)的暴露限值。2 激光焊接基本原理Nd:YAG脈沖激光焊接系統(tǒng)包含幾個(gè)要素：1.激光，2.光束傳輸3.聚焦頭4.激光焊接系統(tǒng)5.關(guān)鍵焊接參數(shù)

9、。聚焦頭運(yùn)動(dòng)過程透鏡光纖/反光鏡光束傳輸激光焊接系統(tǒng)要素焊接系統(tǒng)激光2.1脈沖激光焊焊接用的激光是由Nd:YAG激光器閃光燈泵浦產(chǎn)生的脈沖激光，Nd:YAG晶體是最有效和最強(qiáng)大的材料，可用于解決晶體棒內(nèi)產(chǎn)生的功率熱量，與二極管泵浦和Q開關(guān)產(chǎn)生的激光相比，脈沖激光焊要的是閃光燈，二極管不適合產(chǎn)生脈沖，Q開關(guān)不能提供給焊接用的高效能量。燈泵浦能量供給逆變器燈泵浦模塊Nd：YAG激光棒穿透鏡激光能量監(jiān)視器照射器輸出調(diào)節(jié)器抽樣中央處理單元反饋輸出波監(jiān)視器輸出波形設(shè)置監(jiān)視顯示輸出透鏡可變反射鏡圖D:一個(gè)脈沖Nd：YAG激光焊機(jī)的布局所展示的諧振腔和光學(xué)光束傳輸組件，注意實(shí)時(shí)功率反饋，以及時(shí)間或能量分配的

10、能力2.1.1實(shí)時(shí)功率反饋也許Nd:YAG脈沖激光焊機(jī)需要設(shè)計(jì)成能提供一系列特殊的特性，用來優(yōu)化焊接工藝，為更多苛刻的應(yīng)用增加可靠性和可重復(fù)性，實(shí)時(shí)功率反饋，通過對(duì)源電流的脈沖寬度調(diào)制，在閃光燈整個(gè)生命周期中，確保卓越的脈沖穩(wěn)定性，自動(dòng)提供相同的預(yù)置焊接參數(shù)。2.1.2功率斜波在縫焊應(yīng)用中，功率斜波的特征是消除使用舊的激光設(shè)計(jì)原本發(fā)生的末端脈沖的破裂，功率斜波允許焊接程序逐漸增加焊接開始和結(jié)束時(shí)的激光能量，它還提供了一個(gè)更具美觀性焊縫。圖E:縫焊中的漸變特性，防止末端脈沖破裂，保證生成平滑的焊縫2.1.3脈沖成形大多數(shù)焊接情況下使用的是如下圖所示的方波焊接脈沖，但在少數(shù)應(yīng)用中使用脈沖成形能增強(qiáng)

11、焊接性，脈沖波形有很多種，但最常用的是兩個(gè)基本波形，第一個(gè)用來克服像銅和鋁這樣的高反光性材料，第二個(gè)是用來盡量減少焊接過程中容易出現(xiàn)開裂的的那部分材料的熱循環(huán)。脈沖成形項(xiàng)目退火脈沖細(xì)高脈沖方波脈沖峰值功率2.1.4時(shí)間分配時(shí)間分配特征允許一束激光被分成兩束或兩束以上傳輸?shù)胶缚p，用來有序分隔工作區(qū)域或者工作環(huán)境。由于時(shí)間的分配，一束激光可以提供用于各種焊接參數(shù)的多樣的工作環(huán)境，這極大減小了激光的成本。2.1.5 功率分配功率分配特征允許一束激光被分配，同時(shí)傳輸?shù)絻蓚€(gè)或更多焊縫，因此大大增加了每束激光脈沖的焊接數(shù)量，每束光束都適當(dāng)?shù)仄胶猓@樣每個(gè)焊縫的熔核都具有相同的形狀，面積和深度。2.1.6光

12、束傳輸通常使用大約5m長(zhǎng)的柔性光纜將光束傳輸?shù)胶附訁^(qū)，柔性光纜的使用，大大有利于集成到總控激光焊接系統(tǒng)，工廠自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人。使用位于激光腔中的光學(xué)系統(tǒng)將激光束發(fā)射到光纖中，光纖有兩種類型，階梯指數(shù)或者漸變指數(shù)，纖維也可有不同的核心直徑，從100至1000微米，進(jìn)一步詳情請(qǐng)參閱3.4.2節(jié)。2.1.7聚焦頭光學(xué)線纜將激光能量傳輸?shù)骄劢诡^，聚焦頭由光學(xué)器件組成，它聚焦光纖發(fā)出的激光并發(fā)射到被焊接的材料上。較長(zhǎng)的焦距透鏡產(chǎn)生較大的光斑直徑，而較短的焦距透鏡產(chǎn)生較小的焊點(diǎn)。（更多細(xì)節(jié)見3.4.3聚焦光學(xué)）。2.2激光焊接過程激光焊接是一種非接觸的過程，需要從焊接部件的一側(cè)進(jìn)入焊接區(qū)，強(qiáng)烈激光以毫秒

13、為單位快速加熱一般材料，形成焊縫，激光的靈活性提供了三種類型的焊接：傳導(dǎo)模式，傳導(dǎo)/滲透模式，穿透或小孔模式。傳導(dǎo)穿透/傳導(dǎo)穿透/小孔圖F：根據(jù)激光脈沖的功率密度和脈沖寬度產(chǎn)生的三種類型的焊接 傳導(dǎo)型焊接是在低能量密度形成一個(gè)淺而寬的焊核，傳導(dǎo)/穿透模式發(fā)生在中等能量密度的情況下，比傳導(dǎo)模式顯示更大的穿透比，穿透或小孔模式的焊縫具有深而窄的特征，這種模式下，激光在氣化了的材料里形成了一個(gè)像鑰匙孔一樣的細(xì)洞，它延伸到材料，并為激光提供導(dǎo)管，高效地在材料內(nèi)部傳輸，這種直接輸送到材料的能量不依賴于傳導(dǎo)，以達(dá)到滲透，并因此將熱量集中到材料，并減少熱影響區(qū)。2.3 關(guān)鍵焊接參數(shù)關(guān)鍵焊接參數(shù)可分為兩部分，

14、與零件本身有關(guān)的參數(shù)和激光的參數(shù)2.3.1 聯(lián)合設(shè)計(jì)與擬合由于激光焊接是一種非接觸式的過程，可焊接廣泛形狀的接頭，此外，激光能夠焊接到很局限的區(qū)域，主要的接頭設(shè)計(jì)如圖G所示。在任何的理想焊接接頭中，更薄的材料是頂片。對(duì)接搭接角接圖G:最常見的焊接接頭，其他大多形狀都有它們演變而來可靠的激光焊接最重要的要求是焊接接頭的緊密配合，激光點(diǎn)焊或縫焊通常是一個(gè)自發(fā)過程，這意味著在焊接過程中不添加填充材料，因此，如果焊接表面太遠(yuǎn)，沒有足夠的焊接材料來彌補(bǔ)缺口，焊縫將會(huì)產(chǎn)生咬邊，為了得到最好的結(jié)果，接頭間隙應(yīng)該是零或緊密結(jié)合，但這不切合實(shí)際，有點(diǎn)間隙是允許的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此間隙切不能大于材料最薄處或焊接滲透深

15、度的10%，哪個(gè)都是越小越好，必須強(qiáng)調(diào)的是，間隙的公差要具體，并且要充分檢查并用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法量化。2.3.2 部分對(duì)齊激光焊接用的聚焦光斑直徑通常為100到1000微米，更好的焊接應(yīng)用可能要求更小的光斑直徑（25-50微米），比如醫(yī)療導(dǎo)管或者微型電子設(shè)備，激光焊接的接縫必須足夠精確，這樣聚焦光斑才不會(huì)偏離接頭，這種錯(cuò)位的公差是有一定直徑的聚焦光束的一個(gè)功能，并在一個(gè)較小程度上設(shè)計(jì)接頭，垂直公差卻不太重要，但也扮演著盡可能聚焦光束的角色。垂直對(duì)齊水平對(duì)齊圖H:名義上的激光與工件部分對(duì)齊公差，橫向公差是至關(guān)重要的，垂直方向上的公差對(duì)于焊接過程要求很寬垂直公差涉及到確保在接頭處的聚焦光斑有足夠的能

16、量密度形成焊縫，這個(gè)公差叫做聚焦深度，他一般是鏡頭焦距的0.5%長(zhǎng)。因此，當(dāng)一個(gè)100毫米的瞄準(zhǔn)儀和一個(gè)100毫米的焦距鏡頭的組合使用，聚焦深度約0.5mm。2.3.3 材料的選擇和鍍層激光可以焊接各種鋼、鎳合金、鈦、鋁合金甚至是銅，然而，有材料更適合于激光焊接，一些材料很難或者不可能用激光焊接，與任何其他焊接技術(shù)一樣，某些類型的材料是難以焊接，除非他們符合一定的材料特性。激光焊接的材料的特性有:a)材料的反射性，b) 高熱循環(huán)的影響，c)不穩(wěn)定合金元素的蒸發(fā)，最普遍的焊接材料是鋼鐵，通常的挑選規(guī)則是保持碳含量低于0.12%，對(duì)于不銹鋼，保證Cr/Ni比例大于1.7，不銹鋼合金ANSI 303

17、和許多400系列合金以及高碳鋼應(yīng)該避免過高的碳，磷，硫含量，通常，鎳合金和鈦是非常易于焊接的，鋁合金和銅是比較特殊的例子。電鍍材料和鍍金方式也會(huì)在焊接過程中產(chǎn)生意義重大的效果，舉個(gè)例子，由于在化學(xué)鍍鎳過程中包含磷和其他雜質(zhì)，導(dǎo)致金屬增加了焊接問題，建議的鍍鎳方法是電鍍。鍍層厚度和類型也是需要考慮的，例如金屬的鍍層厚度大于50英寸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂。2.4 焊接參數(shù)由每個(gè)脈沖創(chuàng)建的焊縫是由該脈沖的峰值功率密度和其持續(xù)時(shí)間確定的，每秒的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖重疊和焊接速度，也決定了一個(gè)焊縫的成形。峰值功率密度控制著焊縫的融深，也決定了光纖類型和熔核直徑，光學(xué)聚焦器和激光峰值功率輸出。脈沖寬度控制著輸入熱量

18、，焊縫寬度和熱循環(huán)，脈沖重復(fù)率或脈沖頻率也控制著輸入熱量和熱循環(huán)。2.4.1 專業(yè)術(shù)語(yǔ)峰值功率這是一個(gè)可以選擇激光的直接參數(shù)，它控制著每個(gè)脈沖的最高功率，峰值功率的單位是瓦。脈沖寬度脈沖寬度在激光脈沖表示的是持續(xù)時(shí)間，單位是毫秒。脈沖能量脈沖能量包含了一個(gè)脈沖的能量，是峰值功率和脈沖寬度的乘積，E = Pp x t,單位是焦。脈沖頻率脈沖頻率相當(dāng)于閃光燈一秒鐘產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，一般用Hz或pps表示。平均功率這個(gè)參數(shù)一般適用于不止一個(gè)脈沖焊接時(shí)的情況，它表示一個(gè)脈沖周期的平均功率，它是脈沖能量和脈沖頻率的乘積，Pave= E x Hz，單位是瓦。峰值功率密度峰值功率密度是某一部分功率的集合，由除

19、了聚焦光斑區(qū)域的峰值功率決定，斑點(diǎn)尺寸由光纖直徑和聚焦頭的放大率的乘積確定，單位是W/cm2脈沖頻率=1/脈沖周期脈沖周期平均功率峰值功率脈沖能量脈沖寬度圖I:脈沖激光焊重要參數(shù)圖示，包括峰值功率，平均功率，脈沖寬度，脈沖能量以及脈沖頻率2.4.2 光纜激光通過光纜傳輸?shù)胶附訁^(qū)域，這跟線纜被設(shè)計(jì)成中心部分承載激光，一個(gè)像鏡子一樣的多層部件使得激光能夠進(jìn)行傳輸，外面包了一個(gè)金屬外套，防止激光泄露。中心區(qū)域的尺寸可根據(jù)光斑直徑和激光輸入功率的要求做成不同的直徑。在聚焦光斑尺寸方面，核心直徑直接影響最終聚焦光斑的大小和峰值功率密度。末端聚焦斑點(diǎn)=光纜直徑F2/F1聚焦頭末端聚焦入射激光光纜圖J: 光

20、纖端面的發(fā)光硅芯傳播光束，周圍用硅包裹，用鋼套連接。光被不同折射率的核心和包層材料限制在中央核心，這樣激光發(fā)生全反射。激光被光學(xué)聚焦器件發(fā)射到光纖中，然后被聚焦頭聚集到焊接區(qū)域。例如一個(gè)300微米的內(nèi)芯的聚焦光斑的尺寸是600微米的內(nèi)芯的一半，因此能量密度是后者的四倍，但是600微米的內(nèi)芯相比300微米的，沒有功率限制。內(nèi)芯的選擇取決于實(shí)際使用情況。光纖除了內(nèi)芯直徑還有兩種類型：臺(tái)階指數(shù)光纖（SI）和梯度折射率光纖。兩者的不同之處在于：臺(tái)階指數(shù)光纖趨向于均勻光束結(jié)構(gòu)，而漸變折射率光纖通過光纖長(zhǎng)度保持光纖結(jié)構(gòu)的形狀。這兩種光纖供了在融深方面不同的焊接特性，即焊接寬度范圍和焊接穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用

21、選擇這兩種光纖。2.4.3 光學(xué)聚焦器件聚焦頭有效地將光纖的端部投影到工作面，光學(xué)鏡片將光束傳輸?shù)骄劢诡^，光束第一次在聚焦頭里被聚焦，然后聚集成一個(gè)斑點(diǎn)。圖像可以由準(zhǔn)直系統(tǒng)和聚焦透鏡放大或縮小。光學(xué)聚焦器可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用或者當(dāng)一個(gè)大尺寸內(nèi)芯光纖必須用于處理更高的功率而需要一個(gè)小尺寸的光斑時(shí)來微調(diào)光斑的大小，末端焦距透鏡的焦距的選擇也決定了聚焦頭和工件之間的距離。末端聚焦聚焦鏡片軸向器準(zhǔn)直透鏡光纜末端斑點(diǎn)尺寸=光纖內(nèi)芯直徑準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)長(zhǎng)度/聚焦透鏡的焦點(diǎn)長(zhǎng)度圖K: 聚焦頭通常安裝在一個(gè)攝像機(jī)的軸上，使得激光束在焊接的前中后期都沿著直線路徑照射到焊接區(qū)域，攝像機(jī)極大地幫助操作者獲得最佳的焊接定位，使激光束到最合適的位置，也根據(jù)末端光斑尺寸給出了光纖光纜直徑和聚焦頭透鏡之間的的關(guān)系2.4.4 峰值功率和脈沖寬度峰值功率，用瓦特表示，直接影響峰值功率密度，峰值功率密度用W/CM2表示。峰值功率密度控制著焊接滲透率，脈沖寬度通常用毫秒表示，控制著輸入熱量。焊縫橫截面形狀焊縫橫截面形狀脈沖寬度增加 峰值功率增加圖L：增加脈沖寬度和峰值功率時(shí)對(duì)焊縫橫截面的影響增加脈沖寬度增加焊縫尺寸和熱影響區(qū)通過增加熱傳導(dǎo)時(shí)間。最適宜的峰值功率定義為：拋開材料本身，在給定功率的情況下能夠形成最深熔深的峰值功率。