激光原理與應(yīng)用2016.07.09

焊接論文題目激光原理及激光加工應(yīng)用參考材料：激光加工技術(shù)，王家金，中國計量出版社

激光原理與技術(shù)施亞齊華中科技大學(xué)出版社

激光輻照效應(yīng)，孫承偉，國防工業(yè)出版社課程主要內(nèi)容引言激光的應(yīng)用第一章激光的基本物理特性第二章激光產(chǎn)生的基本原理及激光器第三章激光加工系統(tǒng)第四章激光打標(biāo)、激光切割第五章激光焊接第六章激光清洗激光加工技術(shù)應(yīng)用概述一、激光加工方法激光切割激光焊接激光表面處理激光雕刻各種加工方法的適用范圍打標(biāo):激光器:激光功率:材料:方法:時間:優(yōu)點:

商標(biāo)、刻度以及刻度圖案

的標(biāo)記

RSM

100Q

100

W

不銹鋼

雕刻

25秒高精度

(150

mm以上的誤差<

5

μm

)激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例打標(biāo):激光器:材料:方法:打標(biāo)時間:優(yōu)點:文本、標(biāo)志、數(shù)據(jù)代碼以及

二維矩陣代碼的標(biāo)記

ROFIN

IC

打標(biāo)機(jī)

塑料復(fù)合材料

非常輕微的雕刻

500字符／秒(單加工頭）

1000字符／秒以上(雙加工頭)

標(biāo)刻深度小于25

μm激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例激光器:激光功率:材料:時間:優(yōu)點:

RSM

130D3W

彩色塑料

低于15秒

永久性標(biāo)識

可從后部照明激光切割應(yīng)用舉例2、激光切割激光切割應(yīng)用舉例3、激光焊接熱導(dǎo)焊接、深熔焊接激光焊接應(yīng)用舉例激光焊接應(yīng)用舉例激光熱處理激光淬火激光熔覆激光合金化激光沖擊強(qiáng)化激光毛化激光快速成型激光清洗激光非晶化4.激光熱處理種類世界激光加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)激光器的市場分布激光器制造商：美國：PRCPRAMA德國：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國：LUMONICS日本：川崎重工東芝切割

24%焊接

14%打標(biāo)

24%14%

雕刻3%

12%微處理

各種加工方法的應(yīng)用比例打孔其它9%激光加工技術(shù)在汽車中的應(yīng)用第一章激光及物理特性

激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。激光的原理早在1916年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。2023/1/31LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER中文：大陸地區(qū)：激光，港澳地區(qū)：激光、鐳射，臺灣地區(qū)：雷射

|英語：

Laser2023/1/31能量激光束物理特性P波長λ激光自然光一、激光的特性：單色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、單色性

激光的單色性比一般光高出106～107倍以上。自然光由波場范圍較寬的光構(gòu)成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。

單色性決定物質(zhì)對激光能量的吸收和精細(xì)聚焦的可能性；CO2：10.6μm

CO：

5.4μm

YAG：1.06μm

準(zhǔn)分子：0.24μm；激光束2、方向性好、亮度高

從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。激光通過直徑為D的孔徑時，由于衍射會產(chǎn)生一定發(fā)散：

?θ(發(fā)散角)等相位面激光的方向性帶來兩個結(jié)果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產(chǎn)生比太陽高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成面積很小但照度很大的光斑。3、相干性好以適當(dāng)方法將統(tǒng)一光源發(fā)出的光分成兩束，再

使兩束光重

合便產(chǎn)生明暗相間的條紋，這就是

光的干涉。

自然光由無數(shù)的原子與分子發(fā)射，產(chǎn)生波長各不相同的雜亂光，合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。

激光的相位在時間上是保持不變的，合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。2023/1/312023/1/31三、高能激光束的獲取為了獲得滿足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：1、提高激光束的輸出功率（亮度特性）CO2激光：45kW，YAG激光-5kW，半導(dǎo)體激光-4kW；2、提高激光束的光束質(zhì)量（發(fā)散角）3、采用適當(dāng)?shù)?/p>

聚焦方法（透鏡、反射鏡聚焦）光束參數(shù)積(光斑半徑乘以該方向上遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積)與激光功率決定加工范圍

4、橫模

光腔的橫模代表了激光束光場的橫向分布規(guī)律，對激光加工影響極大。光腔的縱模主要影響激光的頻率，與激光加工關(guān)系很小。

通常用TEMmn表示不同橫模的光場分布：旋轉(zhuǎn)對稱橫模軸對稱橫模

氣體激光器固體激光器第二章激光產(chǎn)生的基本原理及激光器一、能級、躍遷、輻射1、能級：當(dāng)原子或分子內(nèi)部的電子與外界交換能量時，原子的內(nèi)能也將發(fā)生變化，但內(nèi)能的變化是不連續(xù)的，其內(nèi)能的狀態(tài)成為能級。粒子（分

子或原子）可以處于許多不同的能級，穩(wěn)態(tài)能級稱為基態(tài)。2、輻射躍遷：粒子從外界吸收能量時從低能級躍遷到高能級；從高能級躍遷到低能級時向外界釋放能量。如果吸收或釋放的能量是光能，則稱此

躍遷為輻射躍遷。輻射光子的能量：公式中：h-譜朗克常數(shù)

ν-光波頻率3、激發(fā)：實現(xiàn)粒子從低能級向高能級的躍遷過程成為激發(fā)，方式主要以：加熱激發(fā)、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)。E=E2

?E1

=hυ激光的產(chǎn)生過程可歸納為：激勵能源工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激光產(chǎn)生工作物質(zhì)光子放大及振蕩其它粒子的受激輻射偶然的自發(fā)輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外界激勵光學(xué)諧振腔二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1、亞穩(wěn)態(tài)能級：粒子在受激狀態(tài)下，可以存在的時間較長的能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：熱平衡狀態(tài)下，處于高能級的粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于

處于基態(tài)的粒子數(shù)，如果在外界作用下打破平衡，使亞穩(wěn)

態(tài)能級的粒子數(shù)大于處于低能級的粒子數(shù)，這種狀態(tài)稱為

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、激光工作物質(zhì)：凡是可通過激勵實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)都稱激光工作物質(zhì)。固體工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）；紅寶石；釹玻璃；氣體工作物質(zhì)：CO2分子氣體；He-Ne原子氣體；氬離子氣體；半導(dǎo)體工作物質(zhì)：砷化鎵

工作物質(zhì)——被激勵后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的活性物質(zhì)激勵裝置——能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源光激勵：用脈沖光源來照射工作介質(zhì)（閃光燈、LD）；電激勵：用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子；化學(xué)激勵：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法；熱激勵：超音速絕熱膨脹法；注入式激勵：采用向半導(dǎo)體物質(zhì)注入大電流的方法。典型激光器按工作波段分類遠(yuǎn)紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器按工作物質(zhì)分類固體激光器氣體激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)晶體腔：產(chǎn)生最原始的激光（包含YAG晶體，LED光源，電源）；全反光鏡：使光完全反射回去，增大光強(qiáng)度；半反射鏡：反射75%的光，只有滿足一定直線性，能量和波長的光才能通過，大約25%；Q-Switch：分X軸和Y軸，控制激光輸出能量，得到能量較強(qiáng)，持續(xù)時間較長的光束；功率計：量測輸出的激光能量大??；Shutter：控制激光輸出的一個開關(guān)。全反光鏡反光鏡：（越75%）Q-Switch晶體腔功率計Shutter接光纖激光器外形激光器內(nèi)部分解圖Q-Switch晶體腔半反鏡光纖耦合器(100)(020)(010)(000)CO2氣體激光器，YAG固體激光器，半導(dǎo)體激光器（一）CO2氣體激光器1、CO2氣體激光器的工作原理工作物質(zhì)為：CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；光束波長：10.6μm;

13

0

10.6μm09.6μm

0

102、激光器的組成光學(xué)穩(wěn)定諧振腔：激光僅通過半透明反射鏡離開諧振腔。光學(xué)不穩(wěn)定諧振腔：諧振腔由100％反射的反射鏡組成，激光經(jīng)過其中一面反射鏡離開諧振腔。2、CO2激光器的組成2、電極4、冷卻水6、出水口8、激光束10、風(fēng)機(jī)1、全反鏡3、交流電源5、諧振腔7、輸出窗口9、熱交換器11、進(jìn)水口3、CO2激光器的分類（1）根據(jù)氣體流動方式分類：封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動；慢

流

式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動；橫

流

式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向垂直；軸

流

式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向同軸；（2）根據(jù)激勵方式分類：

普通直流高壓激勵：交流升壓—高壓整流（16kV）；

逆變直流高壓激勵：交流變頻—低壓整流—直流升壓（16kV）；射頻激勵：采用無線電波的頻率進(jìn)行激勵；（3）根據(jù)諧振腔形式分類：單管直腔式：光束在直線式的腔中振蕩，通常用于慢流式激光器中；折疊腔式：內(nèi)部光路中增加折疊鏡，增加激光的振蕩長度以提高功率；激光器類型：

橫流

軸流擴(kuò)散冷卻輸出功率等級：3~45kW

1.5~20kW0.2~3.5kW脈沖能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(shù)(K)≤0.15≤0.4≤0.8氣體消耗：小大極小電-光轉(zhuǎn)換效率：≤15%≤15%≤30%焊接效果：較好好優(yōu)良切割效果：差好優(yōu)良相變硬化：好一般一般表面涂層：好一般一般表面熔覆：好一般一般（二）固體激光器

固體激光器分類根據(jù)工作物質(zhì)分類：紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，三能級；Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06μm，四能級；釹玻璃：

激活離子：Nd，波長:1.06μm，四能級根據(jù)泵浦方式分類：氪閃光燈泵浦：脈沖氪燈照射在工作物質(zhì)棒上，輸出方式：脈沖；氪弧光燈泵浦:

連續(xù)氪弧燈照射在工作物質(zhì)棒上，輸出方式：連續(xù)；二極管泵浦：采用陣列二極管照射工作物質(zhì)棒，輸出方式：連續(xù)和脈沖；調(diào)Q激光器：采用調(diào)Q技術(shù)使得激光的脈沖能量大大地提高（幾百千瓦），脈沖寬度：100~500ns，頻率：幾百~62kHz。Nd:YAG激光波長1.06μm,

可用于加工高反射率材料（如鋁、銅）

激光活性物質(zhì)釹(Nd3+離子)位于釔-鋁-石榴石(Y-A-G)組成的固態(tài)晶體中，該晶體通常呈棒狀，當(dāng)光束質(zhì)量較高時，也有可能為片狀或碟狀

。

工業(yè)應(yīng)用的脈沖Nd:YAG激光器的電源系統(tǒng)較為特殊，可輸出較高的脈沖功率，但平均功率較低，峰值功率可以是平均功率的15倍。

工業(yè)上應(yīng)用的連續(xù)Nd:YAG激光器的輸出功率已達(dá)到5kW以上。連續(xù)Nd:YAG激光器與脈沖系統(tǒng)相比可達(dá)到更高的加工速度。連續(xù)Nd:YAG激光器具有Q-開關(guān)的特殊工作模式。Nd:YAG激光特性1、燈泵浦Nd:YAG激光器大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7~10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50~800W。

燈泵浦Nd:YAG體激光器將幾個Nd:YAG棒串聯(lián)起來可獲得高功率的激光束，每個獨立的棒可通過透鏡引導(dǎo)并規(guī)則的排列起來。目前的Nd:YAG激光器系統(tǒng)多達(dá)8個腔。輸出4kW功率。1kW的脈沖Nd:YAG激光器2、二極管泵浦YAG激光器二極管在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用于打標(biāo)時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護(hù)。而弧光燈泵浦激光器的壽命只在1000小時以下(打標(biāo)激光器為2000小時以下)。低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：側(cè)向、橫向泵浦2、半導(dǎo)體泵浦YAG激光器低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：側(cè)向、橫向泵浦

1.

Nd:YAG晶

體棒

2.

激光束

3.

輸出鏡

4.

半導(dǎo)體陣列

5.

后鏡

6.

冷卻水

7.

電源

半導(dǎo)體在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用于打標(biāo)時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護(hù)。而弧光燈泵浦激光器的壽命只在1000小時以下(打標(biāo)激光器為2000小時以下)。二極管泵浦YAG激光器在材料加工中的優(yōu)勢燈式泵浦Nd:YAG激光器加工頭二極管泵浦Nd:YAG激光器加工頭的加工靈活性的增加聚焦直徑更小工作距離更遠(yuǎn)加工效率更高(更高的速度或更低的功率要求)熱輸入低加工靈活性更高ΔHQ

ΔHQ光學(xué)鏡片更細(xì)小

難以到達(dá)的工作區(qū)

ΔHQ

ΔHQ

=

由高質(zhì)量光束引起●●●較小的焦點直徑：切割、焊接時能達(dá)到很高的加工速度光束質(zhì)量高：

工作距離大瑞利長度大：

焦點位置對公差不敏感（三）半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子空穴復(fù)合時，可以在非常窄、非常薄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生幾毫瓦功率的光。半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用半導(dǎo)體激光器焊接汽車尾燈半導(dǎo)體激光器焊接橡膠與塑料工業(yè)用激光器總結(jié)激光加工系統(tǒng)

工作臺

CNC控制系統(tǒng)

第三章一、激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成

循環(huán)水冷系統(tǒng)

激光器氣體供給系統(tǒng)光束傳輸及聚焦

CNC控制激光器控制器

二、光束的傳輸與聚焦（一）光束的傳輸擴(kuò)束后的激光束f2f1擴(kuò)束鏡激光束

擴(kuò)束鏡：用來控制激光器產(chǎn)生的原始光束的發(fā)散程度，將光束直徑調(diào)整到聚焦光學(xué)系統(tǒng)所需的任意尺寸。1、光束的擴(kuò)束2、光束的轉(zhuǎn)向光束轉(zhuǎn)向鏡輸出2輸出1100%激光束CO2激光器和Nd:YAG激光器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方法都是將反射鏡插入在光束的傳輸路徑中。3、能量的分配

幾何分配激光束

透射分配激光束光束轉(zhuǎn)向鏡

50%50%部分透射鏡

50%50%4、反射鏡傳輸CO2激光器柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)基本原理.校準(zhǔn)模塊光束反

射腔聚焦模塊

f3耦合單元α激光束

5、光纖傳輸光纖傳輸基本原理

CCD

光纖

f1

f2

聚焦元件f1將進(jìn)入光纖的光束聚焦到較小直徑，內(nèi)耦合角α不能超過某一臨界光纖相關(guān)值。激光束在光纖中傳出時是發(fā)散的，通過光學(xué)元件f2和f3進(jìn)行校準(zhǔn)和聚焦。光纖傳輸方式a)階躍折射率光纖b)梯度折射率光纖出光纖后的強(qiáng)度分布進(jìn)入光纖前的強(qiáng)度分布折射指數(shù)nn1n2折射指數(shù)nn1n2出光纖后的強(qiáng)度分布進(jìn)入光纖前的強(qiáng)度分布光纖傳輸方式

光纖聚焦鏡

冷卻設(shè)備光束轉(zhuǎn)

向鏡

激光束

多路轉(zhuǎn)接器

以很高的轉(zhuǎn)向頻率，依次給超過20根的光纖提供光源，適合“多點”或“多工位”激光加工。（二）光束的聚焦掃描式焊接加工頭變焦點光學(xué)元件（三）、激光加工系統(tǒng)分類根據(jù)軌跡特性：二維平面軌跡系統(tǒng)（二軸、三軸）三維空間軌跡系統(tǒng)（四軸、五軸、六軸）根據(jù)時間特性：能分系統(tǒng)、時分系統(tǒng)二維平面軌跡加工（切割、焊接）系統(tǒng)四軸、三維空間軌跡加工系統(tǒng)三維空間軌跡機(jī)器人加工系統(tǒng)遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)原理（四）、工作氣體指焊接過程中作為保護(hù)或其它目的的工藝氣體。

通常，噴嘴到工件的距離在3~10mm的范圍之間，典型的噴嘴孔直徑在4~8mm之間，經(jīng)常使用低氣壓，氣體流速在8~30L/min之間。第四章、激光打標(biāo)與激光切割介紹激光標(biāo)刻機(jī)燈泵浦激光打標(biāo)機(jī)半導(dǎo)體激光泵浦打標(biāo)機(jī)二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)光纖激光打標(biāo)機(jī)半導(dǎo)體側(cè)面泵浦激光打標(biāo)機(jī)半導(dǎo)體端面泵浦激光打標(biāo)機(jī)準(zhǔn)分子激光打標(biāo)機(jī)1.激光標(biāo)刻機(jī)種類1）按激光器分2）按工作方式劃分按工作方式可分為連續(xù)型激光標(biāo)刻機(jī)和脈沖型激光標(biāo)刻機(jī)。3）按激光器波長分按激光器波長分為紅外、可見光、紫外光激光標(biāo)刻機(jī)。4）按掃描方式分按激光器掃描方式分為光路靜止型和光路運(yùn)動型。典型為振鏡式、工作臺運(yùn)動式、x/y軸激光運(yùn)動式。激光打標(biāo)技術(shù)對比傳工藝的優(yōu)越性1、精度高，適應(yīng)多種材料，且耐久性非常好4、易于數(shù)控搭載，自動化程度高2、時間和空間控制靈活,且加工方式靈活5、無污染，高環(huán)保3、線條精細(xì)，可用于防偽激光打標(biāo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用常用切割激光器及應(yīng)用激光器光束模式輸出功率主要應(yīng)用YAG激光器多模0-4kW航空、機(jī)械、電子、動力、化工、汽車制造等行業(yè)的零部件等的切割。CO2激光器多模0-10kW金鋼石鋸片、雙金屬帶鋸條、水泵葉片、鋼板、暖氣片的切割。光纖激光器TEM000-20kW汽車行業(yè)異型板材切割激光切割技術(shù)對比傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)越性切割工藝激光切割氣燃體切割等離子切割模沖鋸切線切割水切割電火花加工切縫很小很大較大較小較大較小較大很小變形很小嚴(yán)重較大較大較小很小小很小精度高低低低低高高高圖形變更很容易較容易較容易難難容易容易容易速度較高低較高高很慢很慢較高很慢費(fèi)用較低較低較低低較低較高很高很高由上表可見，激光加工在整體上存在明顯的優(yōu)勢！不論是從精度、速度、還是費(fèi)用上激光加工的優(yōu)勢很明顯。而且圖形變更上也比其他加工方式容易的多。因此激光加工是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)商不可缺少的必備手法。激光切割技術(shù)的優(yōu)勢切割質(zhì)量好：切口細(xì)窄，表面光潔，熱影響區(qū)小切割效率高：與數(shù)控搭載，可適用不同形狀零件切割速度快：1200w切2mm低碳鋼，速度可達(dá)600cm/min非接觸式切割：無刀具磨損切割材料多：金屬、非金屬、復(fù)合材料、皮革、纖維、木材等易實現(xiàn)自動化：與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合激光雕刻加工是利用數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介。加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達(dá)到加工的目的。激光雕刻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域皮革服裝業(yè)廣告裝飾行業(yè)工藝禮品印刷包裝2023/1/3177第五章、激光焊接技術(shù)2023/1/3178主要內(nèi)容1、概述2、激光焊接原理3、工藝特性及參數(shù)調(diào)節(jié)4、激光焊接加工系統(tǒng)5、激光先進(jìn)焊接技術(shù)

2023/1/312023/1/31激光焊與電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊的對比1）電阻焊：它用來焊接薄金屬件，在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面，即通過工件電阻發(fā)熱來實施焊接。工件易變形，而激光焊只從單邊進(jìn)行。2）氬弧焊：使用非消耗電極與保護(hù)氣體，常用來焊接薄工件，但焊接速度較慢，且熱輸入比激光焊大很多，易產(chǎn)生變形。3）等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產(chǎn)生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。4）電子束焊：它高能密度電子流撞擊工件，在工件表面很小密積內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱，形成“小孔”效應(yīng)，從而實施深熔焊接。靠一束加速電子束焊的主要缺點是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制。2023/1/3182焊接設(shè)備的投資花費(fèi)工藝類型相對設(shè)備投入(手工電弧焊=1)手工電弧焊(MMA)1埋弧焊（SAW）10電渣焊20+鎢極氬弧焊(TIG)2等離子弧焊20+熔化極氬弧焊（MIG）2電阻焊（對接）0.5-10氧焊0.2電子束焊10-450摩擦焊4-100激光焊100+電阻焊焊接基本原理

焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊。優(yōu)點，1）電阻焊具有生產(chǎn)效率高；2）焊接質(zhì)量好；3）低成本、節(jié)省材料；4）勞動條件較好；5)易于自動化等特點，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等各工業(yè)部門，是重要的焊接工藝之一。和電弧焊接相比較：1）熱效率高，2）焊縫致密、沒有疏松和裂紋等缺陷。2023/1/3185通過激光束熔化材料來實現(xiàn)材料的連接；相對于其他激光加工工藝，激光焊接需要的能量密度更大。近年來，高功率、高質(zhì)量光束激光器的發(fā)展，使得激光焊接成為工業(yè)應(yīng)用關(guān)注的焦點。激光焊接過程中會形成穩(wěn)定的等離子體（耀眼的藍(lán)色，但是在激光切割中，等離子體被徹底壓制，并隨熔融金屬材料向下移動。常用焊接激光器及應(yīng)用激光器波長/μm光束模式輸出功率主要應(yīng)用YAG激光器1.06多模0-4kW航空、機(jī)械、電子、通訊、動力、化工、汽車制造等行業(yè)的零部件和電池、繼電器、傳感器、精密元器件等工件的焊接。CO2激光器10.6多模0-10kW金鋼石鋸片、雙金屬帶鋸條、水泵葉片、齒輪、鋼板、暖氣片焊接的焊接。半導(dǎo)體激光器0.8-0.9多模0-10kW塑料焊接、PCB板點焊，錫焊。光纖激光器1.06TEM000-20kW汽車車身焊接光斑一致性好，紅光與圓形光斑同心，能量輸出效果最佳，穩(wěn)定。焊接應(yīng)用實例：（1）標(biāo)準(zhǔn)YAG脈沖激光器對常用金屬焊接—不銹鋼、碳鋼、鋁材等，焊接厚度可達(dá)到2mm，經(jīng)過打壓測試，能夠承受25Kg以上的壓力。（2）手機(jī)通信電池應(yīng)用，0.3mm殼厚焊接強(qiáng)度測試，抗壓10Kg以上；（3）汽車動力電源應(yīng)用，0.8mm殼厚焊接強(qiáng)度測試，抗壓25Kg以上；（4）用大功率連續(xù)激光器對較厚材料進(jìn)行焊接，如碳鋼、不銹鋼可焊厚度可達(dá)到9mm—13mm；（5）5mm厚碳鋼管材焊接，抗拉伸測試，焊縫能夠承受400兆帕以上壓力，最后母材斷裂，激光焊接焊縫完好。激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢可將入熱量降到最低溫度，熱影響范圍小，熱變形最低降低厚板焊接所需時間，省填料金屬無需電極，無需接觸；損耗及變形可降至最低激光束易聚焦,可再引導(dǎo)，實現(xiàn)柔性加工(其他焊接易受空間限制無法發(fā)揮)工件可放置在任意條件（如真空或內(nèi)部氣體環(huán)境）激光束可聚集在很小區(qū)域，可焊接小型且間隔很近部件可焊材質(zhì)種類多，亦可異質(zhì)焊接，易于實現(xiàn)自動化不受磁場影響，無需真空；可切換裝置將激光送達(dá)多個工作站激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用制造業(yè)汽車工業(yè)電子工業(yè)生物醫(yī)學(xué)2023/1/31932、激光焊接原理及物理機(jī)制按焊接特性分：熱傳導(dǎo)焊、深熔焊按光束特性分：脈沖激光焊、連續(xù)激光焊；按工藝方法分：純激光焊、激光填絲焊、激光釬焊、雙光束激光焊、激光復(fù)合焊等。激光焊接技術(shù)分類：2023/1/3194激光熱傳導(dǎo)焊

激光輻射到材料表面的功率密度較低（≤106W/cm2），光能量只能被材料表層吸收，然后依靠熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳輸熱量。2023/1/3195熱導(dǎo)焊穿透深度式中，Δz為激光在材料表層的穿透深度(通常只有幾十微米)，α為材料對激光的吸收系數(shù)，I0為材料表面吸收的光強(qiáng)，I為光入射至Δz處的光強(qiáng)。一旦表面溫度達(dá)到熔點，材料表面熔化，只要表面溫度不超過沸點，熔化波向材料內(nèi)部穩(wěn)定傳播，其傳播速度與激光功率密度和材料的液相、固相熱力學(xué)參數(shù)有關(guān)。2023/1/3196熱傳導(dǎo)焊接只適合薄板激光焊接當(dāng)板材厚度低于0.3mm時，熱傳導(dǎo)焊接可以獲得很高的焊接速度，有一定的工業(yè)價值；當(dāng)板材厚度高于2mm，則激光熱傳導(dǎo)焊接的速度就太低，產(chǎn)業(yè)界無法接受；熱傳導(dǎo)激光焊接時，熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料比系數(shù)低的材料，焊接速度要快得多；

激光熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)主要用于薄壁零部件的連接，如細(xì)金屬絲（線），薄壁金屬板材和管材。2023/1/3197激光深熔焊

激光功率密度達(dá)到106～108W/cm2，能夠迅速汽化材料并在材料內(nèi)部形成小孔，并依靠小孔的移動形成焊縫。2023/1/3198激光焊接能量傳輸比例激光焊接過程中：

40－50％的能量由于熱傳導(dǎo)損失掉，并導(dǎo)致熱影響區(qū)的產(chǎn)生；

20－25％的能量消耗于潛熱相變；

25－30％的能量消耗于焊縫溫升。具體還取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)！2023/1/31993、工藝特性及參數(shù)調(diào)節(jié)輸出方式（脈沖或連續(xù)）、光斑聚焦尺寸、光束模式、偏振狀態(tài)、波長激光功率、聚焦位置，焊接速度、焊接結(jié)構(gòu)與方式，拼接間隙氣體成分保護(hù)方式氣壓與流量材料成分材料厚度主要工藝參數(shù)（1）激光束特點（光源）（2）激光束調(diào)節(jié)參數(shù)及接頭形式（3）保護(hù)氣體類型（4）材料特性2023/1/312023/1/31101脈沖激光焊接時的工藝參數(shù)范圍比較激光切割激光打孔脈沖能量焦耳脈寬（ms)激光熱傳導(dǎo)焊接激光深熔焊接脈寬越大，越有利于脈沖激光焊接2023/1/31102激光波長對焊接過程的影響對激光熱傳導(dǎo)焊接來說，波長的影響非常大。短波長的吸收率高，焊接深度也高。波長對激光深熔焊接過程也有重要影響，主要表現(xiàn)為小孔外光致等離子對激光束能量的吸收：α≈n2

λ2T3/2n-氣體密度，λ–激光波長，T-等離子溫度

α≈n2

λ2T3/2（1）對于短波長激光而言，等離子體云對激光束的吸收程度較低；Nd:YAG激光焊接時等離子體對激光束的吸收率較低，因此可以采用較為便宜的氣體。（2）對于長波長激光而言(CO2激光器)，為了減少等離子體對激光能量的吸收，可采用電離度較大的氣體（He）一旦有效抑制了小孔外等離子體云的屏蔽效應(yīng)，激光波長對于深熔焊接來說直接影響不大，因為小孔效應(yīng)作為黑體全部吸收入射激光的能量！2023/1/31103材料特性對激光焊接的影響

反射率：電阻率越小，材料反射率越大，如Cu、Al等金屬的反射率很高，不利于激光焊接。此外，材料表面溫度對材料反射率也有一定影響：溫度越高，反射率越低。材料表面狀況激光束能量吸收率(%)純鋁5456鋁合金原始狀態(tài)75-12電解拋光54噴砂2022陽極氧化22272023/1/31104聚焦位置對焊接接頭主要參數(shù)的影響最小光斑的影響：足夠的功率密度才能形成小孔效應(yīng)。厚板激光焊接通常采用負(fù)離焦0.5-1.5mm）2023/1/31105保護(hù)氣體對激光焊接的影響目的：抑制等離子體屏蔽作用、提高焊接效率焊接中常用氣體及其特性，選用時要同時考慮實際效果和經(jīng)濟(jì)性2023/1/31106氣體保護(hù)方式同軸噴嘴旁軸噴嘴2023/1/31107激光焊縫質(zhì)量的主要評價指標(biāo)焊縫成形質(zhì)量：宏觀形貌（未熔透、咬邊、未填滿、過燒等）、微觀冶金缺陷（氣孔、裂紋等）；微觀組織：晶粒大小、組織形態(tài)及物相結(jié)構(gòu)、合金成分、熱影響區(qū)寬度及組織等；焊縫力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊；韌性、塑性、硬度等。2023/1/31108激光焊接接頭常見缺陷除了這些成形缺陷外，最常見且影響接頭力學(xué)性能的缺陷主要為氣孔和裂紋！2023/1/311095激光焊接加工系統(tǒng)組成涉及光學(xué)、機(jī)械、控制、計算機(jī)等多學(xué)科的集成，主要包括：

激光器及其水冷系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)焊縫跟蹤及焊縫質(zhì)量在線檢測裝置工裝夾具帶走激光器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的大量熱量控制工件或激光束移動焊前確定焊接路徑和工藝參數(shù)，焊接過程中實時調(diào)整工藝參數(shù)，以保證焊縫質(zhì)量保證焊接精度、抑制焊接過程中的變形2023/1/31110激光加工平臺實例2023/1/31各種電池的激光焊接焊接部位2023/1/31CATLConfidential電池焊接：電阻點焊接與激光焊電池點焊機(jī)電阻焊：工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。

激光焊：利用激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。電池激光焊機(jī)CATLConfidential方形動力電芯成組2023/1/31寶馬I3方形動力電池頂蓋自動激光焊接線2023/1/312023/1/31115新型激光焊接技術(shù)

2023/1/31116雙光束激光焊接2023/1/31117雙光束激光復(fù)合類型（1）激光束－激光束之間復(fù)合；（2）CO2－復(fù)合；（3）Nd:YAG脈沖激光－脈YAG激光復(fù)合；2023/1/31118激光——電場（磁場）復(fù)合焊接

主要是通過外場來消除等離子屏蔽效應(yīng)，以達(dá)到提高焊接熔深或焊接效率的目的。2023/1/31119激光-電弧復(fù)合焊接單純激光焊接存在以下問題：鋁合金等高反射率材料的焊接存在相當(dāng)難度；

焊接冶金缺陷多，接頭韌性不高；

裝夾精度要求高。1978年，英國Steen教授首次提出復(fù)合焊接的概念，研究表明激光－電弧復(fù)合焊接優(yōu)點突出，應(yīng)用前景廣闊，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的激光先進(jìn)焊接技術(shù)。2023/1/31120低碳鋼激光－電弧復(fù)合焊接激光－MIG復(fù)合焊接：焊接熔深提高60％，焊接速度提高170％激光－TIG復(fù)合焊接：焊接熔深提高44％

激光焊接電弧焊接復(fù)合焊接2023/1/31121激光－電弧復(fù)合焊接焊縫形貌電弧區(qū)激光區(qū)復(fù)合焊接焊縫形貌特征2023年1月31日122激光－電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)TIG焊機(jī)MIG焊機(jī)8軸聯(lián)動6kW（10kW）光纖激光器加工平臺，焊接特性更為優(yōu)異，能夠開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的3D焊接技術(shù)研究。第五章激光清洗/mobanCompanyLogoCatalogue激光清洗的原理1激光清洗的方法2激光清洗的優(yōu)點3激光清洗的應(yīng)用4/mobanCompanyLogo激光清洗的原理脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強(qiáng)度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導(dǎo)致的光物理反應(yīng)。其物理原理可概括如下：a)激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收。b)大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩(wěn)定氣體），產(chǎn)生沖擊波。c)沖擊波使污染物變成碎片并被剔除。d)光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。e)實驗表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。2023/1/31

2023/1/31/mobanCompanyLogo激光清洗的原理等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個閾值效應(yīng)對在保證基底材料安全的情況下進(jìn)