激光焊接原理及工藝應用

1、激光原理及特性第一頁，共四十頁。什么是激光?鐳射=激光=LASERLASER是英文的“受激輻射光放大”的首字母縮寫。第二頁，共四十頁。激光產生的原理能級

物質是由原子組成，而原子又是由原子核及電子構成。電子圍繞著原子核運動。而電子在原子中的能量不是任意的。描述微觀世界的量子力學告訴我們，這些電子會處于一些固定的“能級”，不同的能級對應于不同的電子能量，離原子核越遠的軌道能量越高。此外，不同軌道可最多容納的電子數目也不同，例如最低的軌道（也是最近原子核的軌道）最多只可容納2個電子，較高的軌道上則可容納8個電子等等。躍遷

電子可以通過吸收或釋放能量從一個能級躍遷到另一個能級。例如當電子吸收了一個光子時，它便可能從一個較低的能級躍遷至一個較高的能級。同樣地，一個位于高能級的電子也會通過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能級。在這些過程中，電子釋放或吸收的光子能量總是與這兩能級的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。第三頁，共四十頁。受激吸收受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過吸收光子從低能級躍遷到高能級。受激輻射受激輻射是指處于高能級的電子在光子的“刺激”或者“感應”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。受激輻射的最大特點是由受激輻射產生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子。這意味著光被加強了，或者說光被放大了。這正是產生激光的基本過程。自發(fā)輻射是指高能級的電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級，并在躍遷時產生光（電磁波）輻射，輻射光子能量為hυ=E2-E1，即兩個能級之間的能量差。第四頁，共四十頁。粒子數反轉一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關鍵是發(fā)光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數反轉。

但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現粒子數反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統來做激活媒質實現粒子數反轉是不可能的。要想獲得粒子數反轉，必須使用多能級系統。第五頁，共四十頁。三能級結構當粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉移到E2上，因能級E2為亞穩(wěn)態(tài)，在E2、E1間實現粒子數反轉分布。下能級E1為基態(tài)，通?？偸欠e聚著大量的粒子，因此要實現粒子數反轉，必須將半數以上的基態(tài)粒子激發(fā)到E2上，所以，外界激勵就需要有相當強的能力。第六頁，共四十頁。四能級結構常見激光器中，摻釹釔鋁石榴石（簡Nd3+:YAG）激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統激光器。需要指明，以上討論的三能級系統和四能級系統都是對激光器運轉過程中直接有關的能級而言，不是說某種物質只具有三個能級或四個能級。第七頁，共四十頁。激光產生條件1、激光工作介質

激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。關鍵是能在這種介質中實現粒子數反轉，以獲得產生激光的必要條件。顯然，亞穩(wěn)態(tài)能級的存在，對實現粒子數反轉是非常有利的。2、激勵源

為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。第八頁，共四十頁。泵浦燈

氙燈為惰性氣體放電燈，我們使用的燈的形狀多為直管形。其結構一般都是由電極、燈管和充入的氙（Xe）氣體組成。電極是用高熔點、高電子發(fā)射率，又不易濺射的金屬材料制成。燈管用機械強度高、耐高溫、透光性好的石英玻璃制成。燈管內充入氙氣。第九頁，共四十頁。Nd：YAG激光棒

Nd：YAG（摻釹的釔鋁石榴石）是目前最常用的一類固體激光器。YAG是一種立方結構晶體，質地很硬、光學質量好、熱導率高。用三價釹代替了晶體中部分的三價釔，因此稱為摻釹的釔鋁石榴石。第十頁，共四十頁。3、諧振腔

有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。還需要將輻射的光進行放大，于是人們就想到了用光學諧振腔進行放大。

所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，部分反射鏡片的作用是將能量未達到一定限度的部分光子按原路徑反射回去，而達到一定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這部分光子就成為我們需要的，經過放大了的激光；而被反射回工作介質的光，則繼續(xù)誘發(fā)新一輪的受激輻射，光將逐漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，直到能量達到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。第十一頁，共四十頁。激光諧振腔光學諧振腔

圖2-6圖2-7諧振腔結構M1100%M298%L第十二頁，共四十頁。激光諧振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的熱焦距d1：棒中心到半反的距離d2：棒中心到全反的距離R1：全反曲率半徑R2：半反曲率半徑b=d1+d2-d1d2/f穩(wěn)定腔:0<G1*G2<1介穩(wěn)腔:G1*G2=1或G1*G2=0非穩(wěn)腔:G1*G2<0或G1*G2>1第十三頁，共四十頁。第十四頁，共四十頁。激光特點相干性好：

普通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里都是雜亂無章的，經過透鏡后也不可能會聚在一點上。

激光與普通光相比則大不相同。因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來，這就叫相干性高。一臺巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達1015w/cm2·sr，比太陽表面的亮度還高若干倍。方向性強

激光的方向性比現在所有的其他光源都好得多，它幾乎是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去，歷經38.4萬公里的路程后，也只有一個直徑為2km左右的光斑。單色性好：

受激輻射光（激光）是原子在發(fā)生受激輻射時釋放出來的光，其頻率組成范圍非常狹窄，通俗一點講，就是受激輻射光單色性非常好，激光的“顏色”非常的純（不同顏色，實際就是不同頻率）。激光的單色性是實現激光加工的重要因素。我們可以通過簡單的物理實驗來說明這個問題亮度高第十五頁，共四十頁。激光器分類對激光器有不同的分類方法，一般按工作介質的不同來分類，在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器。

另外，根據激光輸出方式的不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器，其中脈沖激光的峰值功率可以非常大，還可以按發(fā)光的頻率和發(fā)光功率大小分類。固體激光器

一般講，固體激光器具有器件小、堅固、使用方便、輸出功率大的特點。這種激光器的工作介質是在作為基質材料的晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子，除了前面介紹用紅寶石和玻璃外，常用的還有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器氣體激光器

具有結構簡單、造價低；操作方便；工作介質均勻，光束質量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的有點。其中，氦－氖激光器是最常用的一種。第十六頁，共四十頁。半導體激光器

半導體激光器是以半導體材料作為工作介質的。目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質量輕、壽命長、結構簡單而堅固，特別適于在飛機、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期，由于光纖通訊和光盤技術的發(fā)展大大推動了半導體激光器的發(fā)展。液體激光器

常用的是染料激光器，采用有機染料最為工作介質。大多數情況是把有機染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復雜。輸出波長連續(xù)可調，且覆蓋面寬是它的優(yōu)點，使它也得到廣泛應用。第十七頁，共四十頁。激光器分類CO2激光器YAG激光器半導體激光器光纖激光器其它激光器YAG脈沖激光焊接機由于加工精度高，熱輸入量小，工件變形小，生產效率快，自動化程度高等優(yōu)點，被廣泛應用于IT消費類電子產品的加工制造中第十八頁，共四十頁。2、激光焊接原理及特性第十九頁，共四十頁。激光焊接原理激光焊接原理

激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特性進行工作，通過光學系統將激光束聚焦在很小的區(qū)域內，在極短的時間內使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。第二十頁，共四十頁。激光焊接原理激光焊接一般分為熱傳導焊接和深熔焊激光功率密度為105~106w/cm2形成激光熱傳導焊激光功率密度為105~106w/cm2形成激光深熔焊第二十一頁，共四十頁。激光焊接的特性與其它焊接方式相比，激光焊接具有以下特性：能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊縫深寬比大熱輸入量小，熱影響區(qū)小，工件殘余應力和變形小非接觸式焊接，光纖傳輸，可達性較好，自動化程度高接頭設計靈活，節(jié)省原材料焊接能量可精確控制，焊接效果穩(wěn)定，焊接外觀好第二十二頁，共四十頁。激光焊接的特性焊接方式熱影響區(qū)熱變形焊縫質量是否添加焊料焊接環(huán)境激光焊接較小較小較好否無要求電子束焊較小較小較好否真空等離子弧焊一般一般一般是需電極電阻焊較大較大一般否需電極氬弧焊較大較大一般是需電極釬焊一般一般一般是整體加溫各種焊接方式比較第二十三頁，共四十頁。3、金屬材料的激光焊接工藝第二十四頁，共四十頁。鋼及其合金的焊接316L不銹鋼激光點焊316L不銹鋼激光點焊焊點截面不銹鋼使用普通方波即可獲得良好的焊接效果設計焊接結構時，盡量使焊點遠離非金屬物質為滿足強度及外觀要求，應盡量預留足夠的焊接區(qū)域及工件厚度焊接時應、保證工件的清潔度及環(huán)境的干燥度第二十五頁，共四十頁。鋁及其合金的焊接鋁合金螺柱激光點焊鋁合金螺柱激光點焊鋁合金材料反光率很高，焊接時需要較高的激光峰值脈沖點焊時易產生裂紋，影響焊接強度材料成份易產生偏析，容易產生飛濺，應選擇較好的原材料一般使用大光斑和長脈寬可以取得較好的焊接效果第二十六頁，共四十頁。銅及其合金的焊接紫銅密封縫焊黃銅插接件縫焊銅材料反光率相比鋁合金更高，焊接激光峰值更高，激光頭需傾斜一定角度針對一些銅合金，如黃銅、白銅等，受合金元素影響，焊接難度較大，焊接時需注意工藝參數的選擇第二十七頁，共四十頁。異種金屬焊接鋁合金與鍍金磷銅小片點焊鋁合金與鍍金磷銅小片點焊能否形成固溶體異種金屬之間的負電性差異是否較大其它影響因素第二十八頁，共四十頁。異種金屬焊接能否形成固溶體，異種金屬在液態(tài)及固態(tài)下能否互溶，只有能無限互溶時，才能形成牢固焊接接頭，一般只有兩者之間的原子半徑差小于14%~15%時，才能形成溶解度較大甚至無限互溶的固溶體異種金屬之間的負電性差異是否較大，相差越大，則他們之間的化學親和力就越強，就越傾向于生成化合物而不利于形成固溶體，所形成的固溶體溶解度也就越小，其焊接接頭強度也越低此外，異種金屬焊接還跟材料之間的熔點、線膨脹系數、導熱率、比熱、氧化性、反光率等性能有很大關系，這些物理特性相差越大，則越難焊接，所形成的焊接接頭強度越差通常鋼與銅、鋁和鎳、銅和鎳等異種金屬材料的激光焊接性都比較好，能獲得較好的焊接質量異種金屬能否形成優(yōu)質焊接接頭主要取決于被焊金屬的物理性能、化學性能、化學成分和工藝措施，通常從以下幾個方面考量：第二十九頁，共四十頁。4、激光焊接常見缺陷及應對措施第三十頁，共四十頁。激光焊接常見缺陷及應對措施焊點表面飛濺內部焊接氣孔出現焊接裂紋產生焊接變形激光焊接時工藝參數不正確，措施不良，往往會導致一些焊接缺陷的產生：第三十一頁，共四十頁。焊點表面飛濺焊接飛濺

激光焊接時產生飛濺的主要原因是激光功率密度過高，工件在短時間內吸收了較多的激光能量，材料嚴重氣化，熔池反應劇烈形成焊接飛濺，飛濺不僅影響工件的外觀和裝配精度，更會影響焊接強度，造成產品不良激光焊接時產生的飛濺第三十二頁，共四十頁。焊點表面飛濺引起飛濺具體原因，可以歸納為以下幾點：激光峰值功率過高，形成焊接飛濺焊接波形不合適，對高反射率材料未使用合適波形焊接材料成份偏析，造成局部吸收率提高，形成焊接飛濺工件表面有污物或非金屬物質，造成吸收率提高，形成焊接飛濺兩工件之間或工件底部有低熔點物質，焊接時形成大量氣體，造成飛濺焊接部位形成中空的封閉空間，焊接時空間內的空氣受熱膨脹形成飛濺第三十三頁，共四十頁。防止飛濺的措施一般從以下幾個方面來改善焊接效果，防止焊接飛濺：優(yōu)化焊接焊接工藝參數，如降低峰值功率或使用尖峰波選用合格優(yōu)質的原材料加強焊前清洗，祛除油污雜質合理設計焊接結構第三十四頁，共四十頁。焊點內部氣孔

氣孔是激光焊接中最常見的缺陷，激光焊接熱循環(huán)快，熔池存在的時間短，造成焊接時形成的氣體來不及從熔池中溢出，從而形成焊接氣孔焊接氣孔激光焊接時產生的氣孔第三十五頁，共四十頁。氣孔的分類激光焊接時常見的氣孔一般可以分為以下幾類：氫氣孔一氧化碳氣孔小孔坍塌氣孔第三十六頁，共四十頁。氣孔的預防措施氣孔是激光焊接時的常見缺陷，應跟據氣孔產生的機理采取相應的預防措施：減小氣孔來源工件表面水、油污、氧化膜等融入熔池，發(fā)生冶金或物理，析出氣體，當氣體來不及溢出熔池，就會形成氣孔，因此焊接前應做好工件清洗工作，甚至增加預熱，可有效減小氣孔產生幾率延長熔池存在時間由于激光焊接的特性，其熱循環(huán)時間快，熔池存在時間短，熔池中析出的氣體往往來不及金屬就凝固了，所以延長熔池存在的時間也是減少氣孔產