材料先進連接方法課程講義之一激光加工技術(shù)頁PPT課件

1、材料先進連接方法講義 先進激光加工技術(shù)2019.12激光焊接Laser Welding激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、大熔深、低熱輸入、高效率、高精度等特點。廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子輕工等領(lǐng)域。1、激光的產(chǎn)生原理簡介自發(fā)輻射受激吸收光的輻射與吸收受激輻射受激輻射和光放大受激輻射可以實現(xiàn)對外來光的同頻率、同相位、同偏振的放大。頻率、相位、偏振都相同的光束就是激光束。Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation意為：通過受激輻射實現(xiàn)的光放大。受激輻射引起的

2、光放大原理Question：系統(tǒng)內(nèi)原子發(fā)生受激輻射后，其能級狀態(tài)將發(fā)生什么變化？粒子集居數(shù)翻轉(zhuǎn) 實現(xiàn)持續(xù)光放大的基礎(chǔ)平衡態(tài)下，一個封閉系統(tǒng)內(nèi)各能級上的粒子數(shù)符合波爾茲曼分布。光束穿過平衡系統(tǒng)時，受激吸收超過受激輻射，不能實現(xiàn)光放大。使系統(tǒng)高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)，即成為粒子集居數(shù)翻轉(zhuǎn)。此時稱系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。實現(xiàn)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)的方法光泵浦氣體輝光放電電子束激勵氣體動力激勵化學(xué)反應(yīng)激勵核泵對激光介質(zhì)的要求：1、必須有兩個以上能級，而且能夠被外部能l量激發(fā)；2、高能級中必須有壓穩(wěn)態(tài)能級存在；3、一定是增益介質(zhì)。激光的模態(tài)與功率分布模態(tài)的表示：TEMmnm，n分別表示出現(xiàn)暗線的次數(shù)軸對稱橫

3、模的光斑激光器的分類與構(gòu)成按照工作物質(zhì)的狀態(tài)可以分為：固體激光器、氣體激光器和液體激光器。激光器的構(gòu)成：1、激光工作物質(zhì)；2、激勵源；3、諧振腔、4、控制和冷卻系統(tǒng)；5、聚光器（固態(tài)激光器特有）焊接用典型激光器：CO2氣體激光器、YAG固體激光器。新型激光器：CO激光器，半導(dǎo)體二極管激光器YAG激光器平均輸出功率：0.3-4kW；可以連續(xù)或脈沖方式工作；輸出波長：1.06um；便于聚焦、吸收和光纖傳輸；激光出光效率低：2-3%；模式不規(guī)則，發(fā)散角大；泵浦燈壽命短；YAG激光器的輸出參數(shù)輸出方式平均功率/kW峰值功率/kW脈沖時間脈沖頻率脈沖能量/J連續(xù)0.3-4-脈沖4500.2-20ms1-

4、500Hz100Q-開關(guān)41001us100kHz0.001YAG激光器一般結(jié)構(gòu)圖YAG的激光器結(jié)構(gòu)CO2激光器輸出功率：數(shù)毫瓦到幾十千瓦；可以連續(xù)或脈沖方式工作；輸出波長：10.6um；可以在空氣中長距離傳輸衰減小；激光出光效率高：15-40%；泵浦燈壽命短；CO2激光器一般結(jié)構(gòu)與工作原理根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為：1、封離式或半封離式2、橫流式3、軸流式在外加直流電源的激勵下，放電管中的氮分子首先被激發(fā)。受到激發(fā)的氮分子再和CO2分子發(fā)生碰撞，把自己的能量傳遞給CO2分子，使其從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而發(fā)出激光。 封離式CO2激光器的結(jié)構(gòu)原理特點：1、結(jié)構(gòu)簡單，成本低；2、輸出光束質(zhì)

5、量好；3、無噪聲，易操作和維護；4、輸出功率小。橫流式CO2激光器1. 激光束2. 切向排風(fēng)機3. 氣流方向4. 熱交換器5. 后鏡6. 折疊鏡7. 高頻電極8. 輸出鏡9. 輸出窗口輸出功率大，激光模式不好。軸流式CO2激光器體積緊湊，光束質(zhì)量好，可用于激光焊機器人。激光焊接過程的基本理論材料對激光的吸收1、激光被照射到材料表面，一部分發(fā)生反射，另一部分被材料吸收，轉(zhuǎn)換為熱能。2、激光在金屬表面x0的距離（吸收距離）中被吸收，轉(zhuǎn)化為電子的動能，再通過熱傳導(dǎo)傳向金屬的內(nèi)部。3、激光波長、材料的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等是影響激光吸收的主要因素。材料對激光的吸收率A與波長近似存在下列

6、關(guān)系：A= -1/2。即隨著波長的增加，吸收率增加。大部分金屬對波長為10.6um的CO2激光反射強烈，對1.06um的YAG激光反射較少。常用金屬材料對激光的理論吸收率： 碳素鋼鎳鋁銅銀。一般地，材料導(dǎo)電性越好，其對紅外激光的反射率也越高，吸收率越低。材料溫度越高，吸收率也越高。材料表明狀況對吸收率的影響氧化膜和表面污染對CO2激光的吸收率影響顯著。具有一定粗糙的表面有利于激光的吸收。在金屬表面形成一層涂層是有效提高激光吸收率的手段。激光功率密度對吸收的影響理論計算的吸收率都是在無汽化相變條件下得出的。當(dāng)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象時，金屬對激光的吸收會突變性的增加。當(dāng)激光功率密度大于106W/cm2時，鋼

7、鐵材料表面會汽化，形成等離子體和小孔，吸收率將取決于激光與等離子體的相互作用和小孔效應(yīng)，會大幅強化對激光的吸收。激光焊接的分類（1）激光傳熱焊特點：材料表面被加熱到熔化而無沸騰；熱傳導(dǎo)方式傳熱；光斑功率密度小于105W/cm2;激光反射強烈；類似于TIG焊，主要用于薄板的焊接。（2）激光深熔焊特點：材料迅速汽化；形成小孔和金屬蒸汽等離子體；形成窄而深的焊縫；等離子體吸熱和強制對流換熱效應(yīng)；與電子束焊接過程類似，廣泛用于各種焊接結(jié)構(gòu)。激光深熔焊的小孔效應(yīng)傳熱焊與深熔焊的對比深熔焊的幾個特殊效應(yīng)等離子體效應(yīng)高密度激光作用下金屬汽化；電子逆韌致輻射迅速吸收激光能量；電子碰撞金屬蒸汽原子致電離；電子雪

8、崩式增加，形成等離子體。激光功率密度過大，會出現(xiàn)激光維持的吸收波及爆發(fā)波，會使焊接過程不穩(wěn)定并阻擋激光向工件的傳播，需要避免。壁聚效應(yīng)入射到小孔內(nèi)的激光由于反射作用而重新聚集的現(xiàn)象稱為壁聚效應(yīng)。它可以使激光在小孔內(nèi)維持高的功率密度，有利于加熱工件。凈化效應(yīng)CO2激光焊接時，焊縫金屬有害雜質(zhì)或夾雜物減少的現(xiàn)象稱為激光焊的凈化效應(yīng)。非金屬夾雜物更容易吸收激光能力而強烈汽化和上升是凈化效應(yīng)的根源。凈化效應(yīng)可以提供焊接接頭的塑性和韌性。激光深熔焊的特點（1）高的深寬比。因為熔融金屬圍著圓柱形高溫蒸汽腔體形成并延伸向工件，焊縫就變得深而窄。（2）小的熱輸入。因為源腔溫度很高，熔化過程發(fā)生得極快，輸入工件

9、熱量極低，熱變形和熱影響區(qū)很小。（3）焊縫組織的凈化作用和高致密性。因為充滿高溫蒸汽的小孔有利于熔接熔池攪拌和氣體逸出，導(dǎo)致生成無氣孔熔透焊接。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織微細化。金屬的激光焊接性1、抗熱裂紋能力熱裂紋敏感性的評價：（1）正在凝固的焊縫所允許的臨界變形速率；（2）處于脆性溫度區(qū)時的單位冷卻速度下的臨界變形率。與TIG相比，CO2激光焊焊接低合金高強鋼時具有更低的熱裂紋敏感性，其焊縫組織中形成的細小的等軸晶組織是提高抗熱裂能力的主要原因。2、抗冷裂紋能力冷裂紋的評定指標是：24h內(nèi)在焊縫中心不產(chǎn)生裂紋所能施加的最大應(yīng)力。對于低合金高強鋼，激光焊接頭的抗冷裂紋能力超過TIG。對于

10、10鋼，二者的抗冷裂能力相當(dāng)；對35鋼而言，激光焊接頭的抗冷裂能力低于TIG?？估淞鸭y能力主要與材料的成分、淬火傾向及結(jié)構(gòu)的拘束程度有關(guān)。當(dāng)形成低碳馬氏體時接頭具有良好的抗冷裂能力，當(dāng)形成硬脆的高碳馬氏體時接頭的冷裂傾向加劇。3、殘余應(yīng)力與變形激光焊由于加熱集中，熱輸入少，因此接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力和焊接變形都比普通焊接方法小的多。4、沖擊性能和疲勞性能尚缺乏統(tǒng)一的認識。有人指出激光的凈化作用可以提供接頭的純凈度從而提供其沖擊性能和疲勞性能；但也有大量的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一些焊接結(jié)構(gòu)中，特別是厚板激光焊接頭的抗沖擊和疲勞性能比一般焊接方法要差。激光焊主要工藝參數(shù)及其對熔深的影響1、激光功率P hPk

11、h：熔深；P：激光功率；k：常數(shù)。2、焊接速度v h1/vr維持小孔存在有一個最小焊接速度。速度過低則會變?yōu)閭鳠岷改Ｊ健?、光斑直徑d0d0=2.44（3m+1） f /Df：焦距； ：波長；D：聚集前光束直徑；m：激光震動模的階數(shù)4、離焦量f一般選擇離焦量在焊縫表面以下1/3處，可以保證有最大的熔深。激光與電弧的復(fù)合焊簡介激光焊具有大熔深、窄熔寬的特點，但是其總的熱輸入功率有限，難以對大厚構(gòu)件進行焊接。MIG、TIG等電弧焊具有熱輸入能力強、熔寬較大而熔深不足的缺點。將二者結(jié)合起來可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，來實現(xiàn)對大厚板的高效復(fù)合焊接。激光電弧復(fù)合焊接的原理圖激光切割技術(shù)激光切割是以高能量密度

12、的激光作為切割刀具的一種材料加工方法。它可以實現(xiàn)對各種金屬及非金屬材料的切割，激光切割主要使用CO2激光器。激光切割的特點切口質(zhì)量好。對低碳鋼，切口寬度可以小到0.1-0.2mm，表面粗糙度只有幾十微米，熱影響區(qū)寬度只有0.001-0.1mm，切割變形小，切口兩邊平行。加工柔性好，切割效率高。激光切割可以實現(xiàn)全數(shù)控，可以進行二維切割又可以實現(xiàn)三維切割。切割速度快，不需要裝夾，切割過程沒有刀具磨損，噪聲和污染小?？汕懈畈牧戏N類多。幾乎所有的材料都可以進行激光切割。激光切割的機理及分類1、激光汽化切割通過激光加熱使材料迅速汽化形成切口的切割方法。主要用于木材、高分子等易汽化材料的切割。由于汽化需要

13、很高的能量輸入，因此需要的激光器功率也很高。2、激光熔化切割激光加熱使材料熔化，然后靠同軸噴吹的惰性氣體將熔化金屬帶走的切割方法。所需能量僅為汽化切割的1/10左右。主要用于不易氧化或活性金屬的切割。3、激光氧化切割類似于氧乙炔火焰切割，激光作為預(yù)熱熱源，氧氣作為切割氣體，通過氧化反應(yīng)，形成金屬氧化物來實現(xiàn)切割。由于氧化過程產(chǎn)生大量的熱，所以切割所需的激光功率比熔化切割還小50%作用。但其只能用于易氧化材料的切割。4、控制斷裂與劃片切割首先利用激光在材料表面劃出一條小槽或者一系列小孔，然后施加一定的外力，使材料斷裂，即為劃片切割，其原理與金剛石切割玻璃類似；控制斷裂與劃片類似，只是不需要再外加

14、壓力，直接靠激光熱產(chǎn)生的局部熱應(yīng)力使材料發(fā)生斷裂。激光切割的主要工藝參數(shù)1、激光功率與切割速度所需功率的大小主要取決于材料的性質(zhì)和所采用的切割機理。激光功率對切口寬度的影響不大，但是切割速度對切口寬度影響明顯。速度越高切口越窄，速度過高則會出現(xiàn)清渣不完全的問題。切割速度對切口表面質(zhì)量影響呈現(xiàn)U型變化，即存在一個最佳切割速度。2、氣體壓力與流量氣體流量與切割形式、噴嘴結(jié)構(gòu)、切割速度以及激光功率和板厚等參數(shù)有密切關(guān)系。其它條件一定時，總有一個最佳氣體流量。流量過大，會帶走大量的熱量，使切割速度下降；如果氣體流量過小，又不能完全帶走熔渣或?qū)崿F(xiàn)充分的氧化。3、光束質(zhì)量、焦距和離焦量激光切割要求采用基模

15、，切口寬度與激光光斑直徑幾乎相等。光斑的大小與透鏡的焦距成正比關(guān)系，但焦深（若某截面上的功率密度為焦點處的1/2，則這一截面與焦點的距離為焦深）與焦距成反比。焦深越小，對鏡頭與工件的距離控制越嚴格。離焦量對切割速度和深度都有很大影響，焦點在板下1/3板厚處時可獲得最大的切割深度和最小切口寬度。4、噴嘴氣體噴嘴是影響切割質(zhì)量的一個重要參數(shù)，不同的切割方式及切割機需要配備專用的不同形式的噴嘴。激光切割的應(yīng)用大型激光切割機均由CNC控制或采用機器人控制，幾乎可以切割所有材料以及復(fù)雜的三維形狀。在汽車工業(yè)主要用于各種薄板的復(fù)雜曲面切割；在航空航天領(lǐng)域主要用于各種特殊材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的切割；在非金屬材料的

16、切割領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用。隨著YAG激光功率的不斷提高，由于其具有高的吸收率及可以采用光纖傳遞的優(yōu)勢，在切割方面有著廣闊的應(yīng)用潛力。其它激光加工方法簡介激光表面處理技術(shù)。 激光氣相沉積。激光沖擊強化。激光切削。激光打孔。激光快速成型。激光表面處理技術(shù)激光表面處理技術(shù)就是以激光作為熱源，通過在材料表明實現(xiàn)熔覆新材料或誘發(fā)相變等途徑來改善材料的硬度、耐磨性及提高疲勞性能等的材料表明處理方法。大致可以分為以下幾方面：1、激光熔覆Laser Cladding；2、激光合金化；3、激光非晶化；4、激光相變硬化。激光熔覆激光熔覆是利用激光能量在金屬表面熔凝耐磨、耐腐蝕的合金層或陶瓷層。激光熔覆層與基體形成的是冶金結(jié)合層。從熔覆層材料的添加方法可以分為：預(yù)置粉末法，預(yù)置箔片法，送絲法和動態(tài)送粉法。各種方法各有特點。界面問題是激光熔覆技術(shù)的核心問題。研究其界面合金化機理及定量化的合金成分設(shè)計與表面組織預(yù)測設(shè)計是這一領(lǐng)域活躍的研究方向。激光合金化激光合金化是利用激光能量將特定的合金元素熔入到基體材料中，以基體金屬為溶劑，在基體表面形成新的合金層的表面處理工藝。又成為激光化學(xué)熱處理。根據(jù)其工藝又可以分為固相