現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用1第1頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月光與現(xiàn)代科技講座云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系

宗容zongrong六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用光與現(xiàn)代科技第2頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月光與現(xiàn)代科技講座第一章緒論2第二章光源與激光器2第三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)4第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

4第五章激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用4第六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用4第七章光與信息技術(shù)4第八章光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)6第九章光學(xué)成像、全息與顯示技術(shù)2第十章光電集成與納米技術(shù)2第3頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用§6.1激光加工原理6.1.1材料對激光的吸收6.1.2材料的加熱6.1.3材料的熔化與氣化6.1.4激光等離子體屏蔽現(xiàn)象§6.2激光表面改性技術(shù)6.2.1激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用6.2.2激光表面熔凝技術(shù)6.2.3激光熔覆技術(shù)6.3激光去除材料技術(shù)6.3.1激光打孔6.3.2激光切割§6.4激光焊接6.4.1激光熱導(dǎo)焊6.4.2激光深熔焊6.4.3激光復(fù)合焊§6.5激光快速成型技術(shù)6.5.1激光快速成型技術(shù)的原理及主要優(yōu)點(diǎn)6.5.2激光快速成型技術(shù)6.5.3激光快速成型技術(shù)的重要應(yīng)用§6.6其他激光加工技術(shù)6.6.1激光清洗技術(shù)6.6.2激光彎曲第4頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光在工業(yè)加工中發(fā)展激光的亮度高、方向性好的特點(diǎn)使光能（功率）可以集中在很小的區(qū)域內(nèi)，因此，自第一臺激光器誕生以后，人們就開始探索激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。七十年代初期，Nd:YAG激光就開始用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著大功率激光器與各種激光技術(shù)的發(fā)展，激光與材料相互作用研究的深入，激光加工已經(jīng)成為加工領(lǐng)域中的一種常用技術(shù)。激光加工作為一種非接觸、無污染、低噪聲、節(jié)省材料的綠色加工技術(shù)還具有信息時代的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制，實(shí)現(xiàn)加工技術(shù)的高度柔性化和模塊化，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)加工技術(shù)的集成。因此，激光加工已經(jīng)成為21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少的一部分。第5頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光加工激光加工指的是激光束作用于物體表面而引起的物體變形或改性的加工過程。按照光與物質(zhì)作用的機(jī)理，可分為激光熱加工與激光光化學(xué)反應(yīng)加工。激光熱加工是基于激光束加入物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過程。激光光化學(xué)反應(yīng)是借助于高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程。兩種加工方法都可對材料進(jìn)行切割、打孔、刻槽、標(biāo)記。前者對于金屬材料焊接、表面改性、合金化更有利，后者則適用于光化學(xué)沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化。激光熱加工現(xiàn)在已發(fā)展得比較成熟，本章主要討論與激光熱加工有關(guān)的問題。第6頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.1激光加工原理無論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。以金屬加工為例，功率密度達(dá)到104～1011WCM-2的激光聚焦照射下，物表面將吸收大量激光能量。隨著照射時間的推移，激光束與金屬表面之間會產(chǎn)生多種相互作用過程。首先是熱吸收過程，使材料局部升溫。激光脈沖能量足夠高，脈寬足夠短，會產(chǎn)生沖擊強(qiáng)化過程。隨著熱作用的持續(xù)，溫度升高，導(dǎo)致表面熔化過程。繼續(xù)照射，熔池會向內(nèi)部發(fā)展，熔池表面發(fā)生氣化過程。幾乎與此同時，等離子體開始產(chǎn)生，形成的氣化物和等離子體產(chǎn)生屏蔽現(xiàn)象。持續(xù)照射，屏蔽作用減弱，稱作復(fù)合過程。第7頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.1各種操作條件下激光的可能應(yīng)用和影響

第8頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月與上述諸過程相對應(yīng)，在不同激光參數(shù)下的各種加工的應(yīng)用范圍如圖6.1所示。激光脈寬10ms左右，聚焦功率密度在102W/mm2時，作用于金屬表面，主要產(chǎn)生溫升相變現(xiàn)象，用作激光相變硬化；激光作用時間在10～4ms之間，聚焦功率密度在102～104W/mm2的范圍時，金屬材料除了產(chǎn)生溫升、熔化現(xiàn)象之外，主要是氣化，同時還存在激波，可用于熔化、焊接、合金化和熔敷。激光作用時間在10～4s，聚焦功率密度在105～109W/mm2的范圍時，金屬材料除了產(chǎn)生溫升、熔化現(xiàn)象之外，還發(fā)生氣化同時存在激波和爆炸沖擊，主要用于打孔、切割、劃線和微調(diào)等。激光作用時間在<10-6s，聚焦功率密度增加到109W/mm2時，除了產(chǎn)生上述現(xiàn)象外，金屬內(nèi)熱壓縮激波和金屬表面上產(chǎn)生的爆炸沖擊效應(yīng)變?yōu)橹饕F(xiàn)象，主要用于沖擊硬化。第9頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2激光加工時產(chǎn)生的物理現(xiàn)象1.材料對激光的吸收2.材料的加熱3.材料的熔化與氣化4.激光等離子體屏蔽現(xiàn)象

第10頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月1材料對激光的吸收激光熱加工時首先發(fā)生的是材料對激光能量的吸收。一束激光照射到材料表面時，除一部分被材料表面反射，其余部分透入材料內(nèi)部被材料吸收。透入材料內(nèi)部的光能主要對材料起加熱作用。不同材料對不同波長激光吸收率不同。假設(shè)材料表面反射率為R，則吸收率A為

（6-1）第11頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月材料對激光的吸收-1對于大部分金屬來說，反射率在70%-90%之間。當(dāng)激光由空氣垂直入射到平板材料上時，根據(jù)菲涅爾公式，反射率為（6-2）式中n1和n2分別為材料復(fù)折射率的實(shí)部和虛部，非金屬材料的虛部為零。實(shí)際上，金屬對激光的吸收還與溫度、表面粗糙度、有無涂層、激光的偏振特性等諸多因素有關(guān)。金屬與激光相互作用過程中，光斑處溫度上升，引起熔化、沸騰和汽化的現(xiàn)象，導(dǎo)致電導(dǎo)率改變，會使得反射率發(fā)生很復(fù)雜的變化。第12頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.材料的加熱材料的加熱是光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。設(shè)入射激光束的光功率密度為qi，材料表面吸收的光功率密度為q0，則有（6-3）激光在材料內(nèi)部傳播過程中，光強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減。激光從表面入射到材料內(nèi)部深度為處的光強(qiáng)就是該點(diǎn)的光（電磁場）功率密度，因而（6-4）式中α為材料的吸收系數(shù)。一般將激光在材料內(nèi)的穿透深度定義為光強(qiáng)降至I0/e時的深度，因而穿透深度為1/α

。多數(shù)金屬的吸收系數(shù)約為105-106cm-1，激光對各種金屬的穿透深度在10-100nm的數(shù)量級。第13頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的加熱-1非金屬對激光的反射比較低，吸收比較高。但是有些非金屬材料在一定波段的吸收系數(shù)也很低；如GaAs,ZnSe,NaCl,KBr,CdTe和Ge等，常用作紅外高功率激光器中的輸出窗口材料和外光路中的透鏡材料。激光束在很薄的金屬表面層內(nèi)就被吸收，使金屬內(nèi)自由電子的熱運(yùn)動能增加，并在很短的10-11~10-10s時間內(nèi)與晶格碰撞，把電子的動能轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動能。引起材料溫度的升高，然后按照熱傳導(dǎo)的機(jī)理向周圍和材料內(nèi)部傳播。第14頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.材料的熔化與氣化激光照射引起的材料破壞過程是由于靶材（被加工材料）在高功率激光照射下表面達(dá)到熔化和氣化溫度,使材料氣化蒸發(fā)或熔融濺出，同時靶材內(nèi)部的微裂紋與缺陷由于受到材料熔凝和其它場強(qiáng)變化而進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致周圍材料的疲勞和破壞的動力學(xué)過程。激光功率密度過高，材料在表面氣化，不在深層熔化；激光功率密度過低，則能量會擴(kuò)散到較大的體積內(nèi)，使焦點(diǎn)處熔化的深度很小。一般情況下，被加工材料的去除是以蒸氣和熔融狀兩種形式實(shí)現(xiàn)的。如果功率密度過高而且脈沖寬度很窄時，材料會局部過熱，引起爆炸性的氣化，此時材料完全以氣化方式去除，幾乎不會出現(xiàn)熔融狀態(tài)。第15頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的熔化與氣化-1非金屬材料在激光照射下的破壞效應(yīng)十分復(fù)雜，不同非金屬也差別很大。一般地說，非金屬的反射率很低，而導(dǎo)熱性也很低，因而進(jìn)入非金屬材料內(nèi)部的激光能量就比金屬多得多，熱影響區(qū)卻要小。因此，非金屬受激光高功率照射的熱動力學(xué)過程與金屬十分不同。實(shí)際激光加工時有脈沖和連續(xù)兩種工作方式，它們要求的激光輸出功率和脈沖特性也不盡相同。第16頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月4.激光等離子體屏蔽現(xiàn)象激光作用于靶表面，引發(fā)蒸氣，蒸氣繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高。最后在靶表面產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。這種等離子體向外迅速膨脹，在膨脹過程中等離子體繼續(xù)吸收入射激光，無形之中等離子體阻止了激光到達(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。這種效應(yīng)叫做等離子體屏蔽效應(yīng)。等離子體屏蔽現(xiàn)象的研究是激光與材料相互作用過程研究的重要方面之一。等離子體吸收大部分入射激光，不僅減弱了激光對靶面的熱耦合，同時也減弱了激光對靶面的沖量耦合。當(dāng)激光功率較小(<106Ｗ/cｍ2)時，產(chǎn)生的等離子體是稀疏的。它依附于工件表面，對于激光束是近似透明的。當(dāng)激光束功率密度處于106～107Ｗ/cｍ2范圍時，等離子體明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)出對激光束的吸收、反射和折射作用。第17頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月4.激光等離子體屏蔽現(xiàn)象-1這種情況下等離子體向工件上方和周圍擴(kuò)展較強(qiáng)，在工件上方形成穩(wěn)定的近似球形的云團(tuán)。當(dāng)功率密度進(jìn)一步提高達(dá)到107Ｗ/cｍ2以上時，等離子體強(qiáng)度和空間位置呈周期性變化，如圖6.2所示。在高功率焊接時，如果產(chǎn)生的等離子體尺寸超過某一特征值時或者脫離工件表面，會出現(xiàn)激光被等離子體屏蔽的現(xiàn)象，以至終止激光焊接過程。等離子體對激光的屏蔽機(jī)制有三種：吸收、散射和折射。逆韌致輻射是等離子體吸收主要機(jī)制。例如，CO2激光在氬氣保護(hù)下焊接鋁材時，光致等離子的平均線性吸收系數(shù)在0.1—0.4cm-1之間。CO2擊穿時，Ar等離子體對激光的最高吸收率為40%。在Ar氣氛下CO2激光作用于Al靶，功率5kw時，等離子體對激光的吸收率為20.6%；功率7kw時，為31.5%。第18頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.2等離子云變化過程第19頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月4.激光等離子體屏蔽現(xiàn)象-2等離子體對激光的散射是由蒸發(fā)原子的重聚形成的超細(xì)微粒所致，超細(xì)微粒的尺寸與氣體壓力有關(guān)，其平均大小可達(dá)80nm，遠(yuǎn)小于入射光的波長。超細(xì)微粒引起的瑞利散射是等離子體對激光屏蔽又一個原因。光致等離子體空間分布的不均勻?qū)е抡凵渎首兓?，從而使激光穿過等離子體出現(xiàn)散焦現(xiàn)象，使光斑擴(kuò)大，功率密度降低。這就是等離子體屏蔽激光的第三個原因。用一臺10W的波導(dǎo)CO2激光器水平穿過2KW多模激光束焊接時誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體。測量有等離子體和無等離子體時的探測激光束的功率密度分布，可以發(fā)現(xiàn)激光束穿過等離子體后其峰值功率密度的位置偏離原來的光軸。第20頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.2激光表面改性技術(shù)激光改性是材料表面快速局部處理工藝的一種新技術(shù)，它包括激光淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆、激光沖擊強(qiáng)化、激光表面毛化等。通過激光與材料表面的相互作用，使材料表層發(fā)生所希望的物理、化學(xué)、力學(xué)性能的變化，改變材料表面結(jié)構(gòu)，獲得工業(yè)上的許多良好性能。它主要用于強(qiáng)化零件的表面，工藝簡單、加熱點(diǎn)小、散熱快，可以自冷淬火。表面改性后的工件變形小，適于作為精加工的后續(xù)工序。由于激光束移動方便，易于控制，可以對形狀復(fù)雜的零件，甚至管狀零件的內(nèi)壁進(jìn)行處理，激光改性應(yīng)用十分廣泛。這里主要介紹激光淬火、激光表面熔凝及激光表面熔覆。

第21頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用激光淬火技術(shù)，又稱激光相變硬化，它利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升到相變點(diǎn)以上。當(dāng)激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點(diǎn)以下，獲得淬硬層。激光淬火不需要淬火介質(zhì)，只要把激光束引導(dǎo)到被加工表面，對其進(jìn)行掃描就可以實(shí)現(xiàn)淬火。因此，激光淬火設(shè)備更象機(jī)床。第22頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光淬火圖6.3為一臺柔性激光加工系統(tǒng)，它通過五維運(yùn)動的工作頭把激光射到被加工的表面，在計算機(jī)控制下直接掃描被加工表面，完成激光淬火。激光淬火原理與感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火技術(shù)類似，只是其所使用的能量密度更高，加熱速度更快，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制，易于實(shí)現(xiàn)自動化，因此在很多工業(yè)領(lǐng)域中正逐步取代感應(yīng)加熱淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。激光淬火可以使工件表層0.1—1.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。圖6.3柔性激光加工系統(tǒng)示意圖第23頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光淬火激光淬火原理與感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火技術(shù)類似，只是其所使用的能量密度更高，加熱速度更快，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制，易于實(shí)現(xiàn)自動化，因此在很多工業(yè)領(lǐng)域中正逐步取代感應(yīng)加熱淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。激光淬火可以使工件表層0.1—1.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。第24頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.4所示是45鋼表面激光淬火區(qū)截面低倍形貌圖。圖中白亮色月牙型的區(qū)域?yàn)榧す獯阌矃^(qū)。白亮區(qū)周圍的灰黑色區(qū)域?yàn)檫^渡區(qū)，過渡區(qū)之外為基材。圖6.5所示是該淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向的分布曲線?？梢?，淬火后硬度大幅度提高，且硬度最高值位于近表面。圖6.4鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織

圖6.545鋼表面激光淬火區(qū)顯微硬度與淬硬層深度的關(guān)系第25頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月影響淬硬層性能的主要因素依據(jù)激光器的特點(diǎn)不同，激光淬火可分為CO2激光淬火和YAG激光淬火。但不論是哪種淬火方式，影響淬硬層性能的主要因素基本相同。具體包括如下幾點(diǎn)：1.材料成分材料成分是通過材料的淬硬性和淬透性來影響激光淬硬層深度與硬度的。一般說來，隨著鋼中含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬硬層的顯微硬度也就越高。第26頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖6.6所示。鋼的淬透性越好，相同激光淬火工藝參數(shù)條件下淬硬層的深度要比含碳量相同時的碳素鋼要深.圖6.6基材含碳量與激光淬火層顯微硬度的關(guān)系

圖6.7原始組織及掃描速度對激光淬硬層深度的影響

第27頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光工藝參數(shù)激光淬火層的寬度主要決定于光斑直徑D。淬硬層深度H由激光功率P、光斑直徑和掃描速度v共同決定.式中P/Dv的物理意義為單位面積激光作用區(qū)注入的激光能量，稱為比能量，單位為J／cm2。描述激光淬火的另一個重要工藝參數(shù)為功率密度，即單位面積注入工件表面的激光功率。為了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104W／cm2，一般為1000-6000W／cm2。第28頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面預(yù)處理狀態(tài)表面預(yù)處理狀態(tài)包括兩個方面：一是表面組織準(zhǔn)備，即通過調(diào)質(zhì)處理等手段使鋼鐵材料表面具有較細(xì)的表面組織，以便保證激光淬火時組織與性能的均勻、穩(wěn)定。原始組織為細(xì)片狀珠光體、回火馬氏體或奧氏體的工件，激光淬火后得到的硬化層較深；而原始組織為球狀珠光體的工件只能得到較淺的硬化層；原始組織為淬火態(tài)的基材激光淬火以后硬度最高，硬化層也最深，如圖6.7示。圖6.7原始組織及掃描速度對激光淬硬層深度的影響

第29頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月表面預(yù)處理狀態(tài)-1二是表面“黑化”處理，以便提高鋼鐵表面對激光束的吸收率。主要采用下述方法：a)通過磷化處理在工件表面形成一層磷酸鹽：磷酸錳、磷酸鋅等，其中以磷酸錳最多。早期曾廣泛使用，其吸收率可達(dá)80％。但是磷酸鹽膜經(jīng)激光處理后在工件表面晶間出現(xiàn)微裂紋；磷酸錳膜經(jīng)激光處理后生成低熔點(diǎn)化合物會沿鐵基合金晶界鉆入幾個晶粒深度；磷化表面經(jīng)激光處理后使表面粗糙度增加。b）刷黑漆:近年來美國多用一種牌號Krylon1602的黑漆，其主要成份為石墨粉和硅酸鈉或硅酸鉀，采用噴涂法。厚度10-20m。c）涂石墨加氧化物，氧化鋯涂層的吸收率可達(dá)84.3%-90.1%，而碳黑涂層的吸收率則為68.8％。第30頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面預(yù)處理狀態(tài)-2d）涂SiO2型涂料，一種以SiO2為骨料的可噴涂涂料。選用200-300目的精制石英粉，除對激光有很高的吸收率以外，在激光照射下能形成液態(tài)均勻覆蓋于金屬表面冷卻時結(jié)成固態(tài)薄膜，由于與金屬的熱膨脹系數(shù)的差異而能自行脫落，有利于使激光淬火前后金屬表面粗糙度變化最小。在鑄鐵上曾測得粗糙度僅從0.18增至0.26。同時選定醇基酚醛樹脂為粘結(jié)劑，乙醇為溶劑，并選用少量稀土金屬氧化物為活性添加劑。在鋼鐵表面，稀土氧化物有活化石墨，增加碳在Fe-c合金中溶解度的作用?；旌舷⊥裂趸飪r格低廉，效果比氧化鈰、氧化鑭還要好。噴涂時層厚可在50-75m范圍內(nèi)。第31頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面預(yù)處理狀態(tài)-3由于激光淬火工藝具有加熱速度快、淬火硬度高、工件變形小、淬火部位可控、不需淬火介質(zhì)、生產(chǎn)率高、無氧化、無污染等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。例如，早在1974年，美國通用汽車公司Saginaw轉(zhuǎn)向器分廠在世界上最先將激光淬火技術(shù)應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向器殼體的表面強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。殼體的材料為可鍛鑄鐵，精度要求高，淬火費(fèi)用僅為高頻感應(yīng)加熱淬火和滲氮處理的1／5。1978年，美國通用汽車公司又建成了EMD柴油機(jī)氣缸套激光熱處理生產(chǎn)線，用4臺5000WCO2激光器在鑄鐵氣缸套內(nèi)壁處理出寬2.5mm、深0.5mm的螺旋線硬化帶，并規(guī)定缸套必須經(jīng)激光處理方可出廠。第32頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面預(yù)處理狀態(tài)-4我國激光淬火技術(shù)研究在二十世紀(jì)八十年代初期開始起步，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已在國內(nèi)建立了數(shù)十條激光淬火生產(chǎn)線。如長春第一汽車集團(tuán)公司和北京吉普車公司先后將激光淬火技術(shù)用于汽車缸套內(nèi)壁強(qiáng)化，建立起數(shù)條激光淬火生產(chǎn)線。激光淬火后，缸體內(nèi)獲得4.1-4.5mm寬、0.3-0.4mm深、表面硬度644-825HV的螺旋線淬火帶，耐磨性比電火花強(qiáng)化缸套提高約1倍。北京某公司對汽車發(fā)動機(jī)缸體進(jìn)行激光硬化處理，采用激光功率為900w，掃描速度40mm/s，對發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光處理。激光硬化帶寬3.0mm、淬硬層深0.25-0.3mm，硬度達(dá)63HRC，將使用壽命提高3倍。第33頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表面預(yù)處理狀態(tài)-5如圖6.8所示是經(jīng)激光淬火以后的發(fā)動機(jī)缸套，缸套內(nèi)致密的螺旋即為激光淬火區(qū)。缸體、缸套激光硬化技術(shù)已完全成熟。正進(jìn)一步得到推廣應(yīng)用。圖6.8激光淬火的缸套第34頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2激光表面熔凝技術(shù)這種表面處理是用激光束將表面熔化而不加任何合金元素，以達(dá)到表面組織改善的目的。有些鑄錠或鑄件的粗大樹枝狀結(jié)晶中常有氧化物和硫化物夾雜、金屬化合物及氣孔等缺陷。如果這些缺陷處于表面部位就會影響到疲勞強(qiáng)度，耐腐蝕性和耐磨性。用激光作表面重熔就可以把雜質(zhì)、氣孔、化合物釋放出來，同時由于迅速冷卻使晶粒得到細(xì)化。第35頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光表面熔凝技術(shù)-1與激光淬火工藝相比，激光熔凝處理的關(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個快速熔化-凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。工件橫截面沿深度方向的組織依次為：熔凝層、相變硬化層、熱影響區(qū)和基材，如圖6.9所示，因此也常稱其為液相淬火法。圖6.9激光熔凝處理后橫截面組織示意圖

第36頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光表面熔凝技術(shù)-2圖6.10給出了激光熔凝處理后，T10鋼表面顯微硬度沿深度方向的分布。不難看出，與圖6.6相比，激光熔凝層比激光淬火層的總硬化層深度要深，硬度要高。磨損實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，其耐磨性也更好。圖6.10T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布

第37頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光表面熔凝技術(shù)-3激光熔凝處理的缺點(diǎn)是，基材表面的粗糙度較大，后續(xù)加工量大，因而在許多方面的應(yīng)用受到制約。激光熔凝處理特別適合于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的表面強(qiáng)化，因?yàn)樵谌勰幚磉M(jìn)程中可以使鐵中的石墨與鐵基體混合，形成碳含量很高的白口鑄鐵，顯微硬度可以高達(dá)1000—1100HV，耐磨性非常優(yōu)越。對于一些特定成分的材料來說，激光熔凝處理可以得到非晶態(tài)層，使基材表面的耐磨性、耐蝕性大幅度提高。例如，激光快速熔凝Ni-P合金，可以得到均勻的非晶態(tài)層。激光熔凝技術(shù)還可以用來細(xì)化金屬材料的表面組織。例如，采用激光熔凝Ni基高溫合金單晶體，可以細(xì)化表面組織改善材料表面的抗高溫蠕變性能。第38頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3激光熔覆技術(shù)激光熔覆(LaserCladding)技術(shù)亦稱激光包覆、激光涂覆、激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝的方法，在基材表面形成其合金化的熔覆層，以改善其表面性能。激光熔覆過程類似于普通噴焊或者堆焊過程，只是所采用的熱源為激光束而已。與后者相比，激光熔覆技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.激光束的能量密度高，作用時間短，基材熱影響區(qū)及熱變形均可降低到最小程度。2.控制激光輸入能量，可以限制基材的稀釋作用，保持原熔覆材料的優(yōu)異性能，使覆層的成分與性能主要取決于熔覆材料自身的成分和性能。因此，可以用激光熔覆各種性能優(yōu)良的材料，對基材表面進(jìn)行改性。第39頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)-13.激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高，性能更優(yōu)。4.激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制，設(shè)計專門的導(dǎo)光系統(tǒng)，可對深孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位處理。采用一些特殊的導(dǎo)光系統(tǒng)可以使單道激光熔覆層寬度達(dá)到20—30mm，最大厚度可達(dá)3mm以上，使熔覆效率和覆層質(zhì)量進(jìn)一步提高。5.激光熔覆對環(huán)境無污染，無輻射，低噪聲，勞動條件得到較大程度的改善。第40頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)-2激光熔覆工藝依據(jù)材料的添加方式不同，分為預(yù)置涂層法和同步送料法。預(yù)置涂層法工藝是先采用某種方式(如粘結(jié)劑預(yù)涂覆、火焰噴涂、等離子噴涂、電鍍等)在基材表面預(yù)置一層金屬或者合金，然后用激光使其熔化，獲得與基材冶金結(jié)合的熔覆層。第41頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)同步送料法指在激光束照射基材的同時，將待熔覆的材料送入激光熔池，經(jīng)熔融、冷凝后形成熔覆層的工藝過程。激光熔覆材料包括金屬、陶瓷或者金屬陶瓷，材料的形式可以是粉末、絲材或者板材，工藝過程如圖6.11所示。圖6.11一步法激光熔覆示意圖

第42頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)評價激光熔覆層質(zhì)量的主要指標(biāo)為：熔覆層厚度、寬度、形狀系數(shù)(寬度／厚度)、稀釋率、硬度及其沿深度分布、基板的熱影響區(qū)深度及變形程度等。典型熔覆層的截面示意圖見圖6.12。

圖6.12熔覆層示意圖

第43頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)-3影響上述指標(biāo)的主要工藝參數(shù)除了激光功率、光斑直徑、功率密度、掃描速度等參數(shù)外，還包括送粉速率(或者預(yù)置層厚度)、熔覆材料對基材的浸潤性、熔覆材料—基材固溶度、熔覆材料對光束吸收率、多道搭接時的搭接率、保護(hù)氣體種類和預(yù)熱—緩冷條件等。激光熔覆層的寬度主要決定于光斑直徑；而激光熔覆層的厚度與送粉量、掃描速度、功率密度等參數(shù)密切相關(guān)。常用激光熔覆材料包括鎳基、鐵基、鈷基、銅基自熔合金、以及上述合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)，顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末以及Al2O3、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金和鈦合金等。第44頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熔覆技術(shù)-3激光材料表面改性技術(shù)的工藝是個十分復(fù)雜的過程，目前還沒有統(tǒng)一的數(shù)理模型。對于不同的待處理材料，使用的激光參數(shù)有較大的差別。因此，在利用激光表面改性技術(shù)時，要針對特定的待處理材料，在已有的經(jīng)驗(yàn)和各種已發(fā)表的實(shí)踐結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇技術(shù)方案，進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。制作待處理材料的工藝試塊，改變工藝參數(shù)，分析處理后的試塊力學(xué)性能，優(yōu)化激光表面改性技術(shù)參數(shù)，制定具體工藝流程。第45頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.3激光去除材料技術(shù)激光去除材料是改變材料的尺寸或形狀的激光加工工藝，是一種激光尺寸加工方法。激光去除材料的機(jī)制主要分兩種:一種完全取決于激光與材料相互作用，例如材料氣化、材料蒸發(fā)；另一種在激光與材料相互作用同時還采用一些輔助方法，例如氧化、氣吹?；诩す馊コ牧系募庸し椒ㄓ屑す獯蚩缀图す馇懈顑煞N。第46頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.1激光打孔激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用的高熔點(diǎn)高硬度材料越來越多，傳統(tǒng)的加工方法已無法滿足對這些材料的加工要求。例如，在高熔點(diǎn)的鉬板上加工微米量級的孔；在硬質(zhì)合金（碳化鎢）上加工幾十微米的小孔；在紅藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模、化學(xué)纖維噴絲頭等。激光打孔正是適應(yīng)這些要求發(fā)展起來的。第47頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月1.激光打孔原理激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤（圖6.13）。加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適當(dāng)選擇各加工參數(shù)，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要的孔。圖6.13激光打孔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)簡圖第48頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光打孔時材料的去除主要與激光作用區(qū)內(nèi)物質(zhì)的破壞及破壞產(chǎn)物的運(yùn)動有關(guān)。嚴(yán)格分析激光打孔的成因需要解決激光打孔時產(chǎn)生的蒸氣和粘性液體沿孔壁流動的動力學(xué)問題，考慮加熱過程的所有因素。這種討論十分復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，難于進(jìn)行。一般根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)關(guān)系，建立一個唯象的描述對激光打孔的激光束幾何參數(shù)和總能量與孔的深度和孔徑之間的關(guān)系進(jìn)行估算。估算的結(jié)果對于激光打孔工藝的選擇還是有參考價值的。圖6.14激光打孔幾何原理簡圖

第49頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光打孔工藝參數(shù)的影響（1）脈沖寬度對打孔的影響在上述討論中忽略了打孔時橫向熱傳導(dǎo)的能量損失，而脈沖寬度增大將使這種損失不能忽略，因此脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔型的影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔，寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小，而且使孔的表面粗糙度變大，尺寸精度下降。對于導(dǎo)熱性較好的材料，應(yīng)使用較窄脈沖打孔以增加孔深，而對于導(dǎo)熱性較差的材料，可以用較寬的脈沖以提高激光脈沖能量的利用率。第50頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光打孔工藝參數(shù)的影響（2）激光打孔中離焦量對打孔的影響激光打孔去除材料的機(jī)理主要是材料的蒸發(fā)，因此激光的功率密度對打孔影響也很大。當(dāng)激光聚焦于材料上表面時，打出的孔比較深，錐度較小。在焦點(diǎn)處于表面下某一位置時相同條件下打出的孔最深；而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（圖6.15）。圖6.15離焦量對打孔質(zhì)量的影響

第51頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光打孔工藝參數(shù)的影響（3）脈沖激光的重復(fù)頻率對打孔的影響一般地說，單個脈沖的寬度和能量不變時，脈沖激光的重復(fù)頻率對孔徑的影響不大。如果在用調(diào)Q方法取得巨脈沖時，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，重復(fù)頻率越高，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。（4）被加工材料對打孔的影響材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同的吸收率，必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。例如，對玻璃、石英、陶瓷等材料應(yīng)選用波長為10.6μm的二氧化碳激光器；對寶石軸承打孔則應(yīng)選用波長為0.6943μm的紅寶石激光器。第52頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.應(yīng)用實(shí)例：用激光加工系統(tǒng)打薄板篩孔篩孔板尺寸為105×110mm2，材料是厚0.2mm的不銹鋼板，要求打的通孔孔徑為0.2mm。每塊篩孔板上打25000個孔，加工時間僅20分鐘，比機(jī)械加工方法有明顯優(yōu)勢。加工結(jié)果如圖6.16所示圖6.16薄板打孔效果圖

第53頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2激光切割1.激光切割的原理與特點(diǎn)激光切割以連續(xù)或重復(fù)脈沖方式工作，切割過程中激光光束聚焦成很小的光點(diǎn)（最小直徑可小于0.1mm）使焦點(diǎn)處達(dá)到很高功率密度（可超過106W/cm2）。這時光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快被加熱至熔化及氣化溫度，與此同時一股高速氣流從同軸或非同軸方向?qū)⑷刍驓饣说牟牧嫌刹牧舷虏看党?。隨著光束與材料相對移動，使孔洞形成寬度很窄（如0.1-0.3mm左右）的切縫分割材料。第54頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2激光切割如圖6.17所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu)，除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。圖6.17激光切割頭示意圖

第55頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光切割的特點(diǎn)激光切割總的特點(diǎn)是速度高質(zhì)量好，具體說來可概括為：1）切割質(zhì)量好，切縫幾何形狀好，切口兩邊近平行并和底面垂直；2）不粘熔渣；切縫窄，熱影響區(qū)小，基本沒有工件變形；3）激光可切割的材料種類多，氣割只能切割含Cr量少的低碳鋼，中碳鋼及合金鋼，而激光可以切割金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革及木材；4）切割效率高；5）非接觸式加工；6）噪聲低；7）污染小。第56頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.1激光切割與其它切割方法比較（6.2mm厚鋼板）切割方法切縫寬度/mm熱影響區(qū)寬度/mm切縫形態(tài)速度設(shè)備費(fèi)激光切割0.2-0.30.04-0.06平行快高氣切割0.9-1.20.6-1.2比較平行慢低等離子切割3.0-4.00.5-1.0楔形快中高第57頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光切割分類及其機(jī)理激光切割按其機(jī)理可分為氣化切割、熔化切割、激光氧氣切割和控制斷裂切割。(1)氣化切割工件在激光作用下快速加熱至沸點(diǎn)，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機(jī)制所需激光功率密度一般為108Ｗ／cm2左右，是無熔化材料的切割方式（木材、碳素、塑料等）。(2)熔化切割激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107Ｗ／cm2左右.第58頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光切割分類及其機(jī)理-2(3)氧助熔化切割這種方法主要用于金屬材料的切割。金屬被激光迅速加熱至燃點(diǎn)以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。其切割過程可歸結(jié)為預(yù)熱燃燒去渣的重復(fù)進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)激光氧助熔化切割必須滿足下列加工的條件：a.被切割金屬的燃點(diǎn)要低于其熔點(diǎn)；例如，鐵的燃點(diǎn)為1350Ｃ低于其熔點(diǎn)1500Ｃ。b.生成的熔渣的熔點(diǎn)應(yīng)低于金屬的熔點(diǎn)；如鐵的熔渣的熔點(diǎn)為1300-1500C。c.燃燒能放出大量的熱；第59頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光切割分類及其機(jī)理-3例如，鐵在切割時的反應(yīng)式為：Fe+0.5O2FeO+64.3cal/mol2Fe+1.5O2

Fe2O3+198.5cal/mol3Fe+2O2

Fe3O4+266.9cal/mol氧助熔化切割鋼材時，在氧氣中燃燒放出的熱能占全部能量的60%。氧助熔化切割所需能量為汽化切割的5％?？梢姴捎眉す庋踔刍懈钪饕抢娩撹F等金屬在切割過程中氧化放出的熱量進(jìn)行的。第60頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律激光切割的主要切割參數(shù)有切割用激光功率、切口寬度、切割速度和氣體流量。其它因素，如激光光束質(zhì)量、透鏡焦距、離焦量和噴嘴對于激光切割也有很大影響。

(1)激光功率激光切割時所需功率的大小，是由材料性質(zhì)和切割機(jī)理決定的。例如切割表面反射率高，導(dǎo)熱性好的材料以及切割熔點(diǎn)高的材料，需要較大的激光功率和功率密度。用不同的切割機(jī)理切割同種材料，所用的功率也不同，汽化切割所需功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。隨著板厚的增加，所需的激光功率增加。第61頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律-1(2)切割速度在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表面粗糙度也有較大影響。研究表明，切口表面粗糙度與切割速度之間的關(guān)系呈U形變化，不同材料的板厚，不同的切割氣體壓力，有一個最佳切割速度，在此速度下進(jìn)行切割，切口表面粗糙度值最小。一般來說，切割速度越快，所需功率越大。第62頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律-2(3)氣體的壓力(氣體流量)切割時噴吹的氣體有如下作用：在熔化切割時，依靠噴吹氣體的壓力把液態(tài)金屬吹走形成切口。在氧助熔化切割時，氣體與切割金屬反應(yīng)放熱，提供一部分切割能量，同時又靠氣體吹除反應(yīng)物。但是，氣體對材料又有冷卻作用，會從切割區(qū)帶走一部分能量。因此，氣體對切割質(zhì)量的影響是兩方面的。氣體流量與噴嘴形式也有關(guān)系，不同的噴嘴，使用的氣體流量也不同。在功率和切割材料板厚一定時，有一最佳切割氣體流量，這時切割速度最快。隨著激光功率的增加，切割氣體的最佳流量是增大的。第63頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律-3（4）光束質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切割最為有利。這樣，通過聚焦后才可能獲得很小的光斑和較高的功率密度。實(shí)驗(yàn)研究表明，非氧助切割時切口寬度與激光光斑直徑幾乎相等。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較小光斑，但焦深很小。需要說明的是：與幾何光學(xué)不同，激光加工技術(shù)中采用的焦深定義為：若光束某橫截面中心的功率密度為焦點(diǎn)處的1／2，則這一點(diǎn)與焦點(diǎn)的距離稱之為焦深。焦深越小，可以切割的板厚越小，工件表面到透鏡的距離要求也越嚴(yán)格。在切割厚板時，應(yīng)選用焦距較大的聚焦透鏡。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切割過程中必須保持不變，一般離焦量選用負(fù)值，即焦點(diǎn)位置置于切割板面下面某一點(diǎn)。第64頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律-4（5）噴嘴噴嘴是影響激光切割質(zhì)量和效率的—個重要部件。激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴，噴嘴出口直徑大小應(yīng)依據(jù)板厚加以選擇。另外，噴嘴到工件表面的距離對切割質(zhì)量也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個距離必須保持不變。第65頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月4.工業(yè)材料的激光切割(1)金屬材料的激光切割幾乎所有的金屬材料在室溫下都對紅外光有很高的反射率，例如，對于10.6μm的二氧化碳激光的吸收率僅有0.5—10%。但是當(dāng)功率密度超過106W/cm2的聚焦光束照在金屬表面上時，能夠在微秒級的時間內(nèi)使表面開始熔化。熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高到60%-80%。因此，二氧化碳激光器還是成功的用于許多金屬的切割實(shí)踐?，F(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割的碳鋼板的最大厚度已經(jīng)超過了20mm，利用氧助熔化切割方法切割碳鋼板的切縫可控制在滿意的寬度范圍內(nèi)，對薄鋼板的切縫可窄至0.1mm左右。激光切割對于不銹鋼板是一種有效的加工手段，它可以把熱影響區(qū)控制得很小，從而很好的保持其耐腐蝕性。大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質(zhì)量。第66頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月4.工業(yè)材料的激光切割-1鋁及鋁合金不能用氧助熔化切割而要熔化切割機(jī)制，鋁激光切割需要很高的功率密度以克服它對10.6μm波長的激光的高反射率。1.06μm波長的YAG激光束由于有較高的吸收率，能夠大幅度提高鋁激光切割的切割質(zhì)量和速度。飛機(jī)制造業(yè)常用的鈦及鈦合金采用氧作輔助氣體時化學(xué)反應(yīng)激烈，切割速度較快，但是易在切邊形成氧化層，甚至引起過燒。采用惰性氣體作為輔助氣體比較穩(wěn)妥，可以確保切割質(zhì)量。大多數(shù)鎳基合金也可實(shí)施氧助熔化切割。銅及銅合金反射率太高，基本上不能用10.6μm的二氧化碳激光進(jìn)行切割。第67頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)材料的激光切割-2(2)非金屬材料的激光切割10.6μ的二氧化碳激光束很容易被非金屬材料所吸收，它的低反射率和蒸發(fā)溫度又使吸收的光能幾乎全部傳入材料內(nèi)部，并在瞬間引起氣化形成孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。塑料、橡膠、木材、紙制品、皮革、天然織物及其它有機(jī)材料都可以用激光進(jìn)行切割，但是木材的厚度需有所限制。木板厚度在75mm內(nèi)，層壓板和木屑板約為25mm。無機(jī)材料中石英和陶瓷可以用激光進(jìn)行切割，后者宜用控制斷裂切割且不可使用高功率。玻璃和石頭一般不宜用激光切割。其它難以用常規(guī)方法加工的材料，如復(fù)合材料、硬質(zhì)合金等都可以用激光切割，但是要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)選擇合理的切割機(jī)制和工藝參數(shù)。第68頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.4激光焊接激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將材料連接區(qū)的部分熔化而將兩個零件或部件連接起來。因?yàn)榧す饽芰扛叨燃?加熱、冷卻的過程極其迅速,一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料,用激光很容易實(shí)施焊接。它還能使一些高導(dǎo)熱系數(shù)和高熔點(diǎn)金屬快速熔化,完成特種金屬或合金材料的焊接。第69頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月§6.4激光焊接另一方面,在激光焊接過程中無機(jī)械接觸,易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形，通過熔化最小數(shù)量的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)合金連接,從而大大提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。激光焊的焊縫深寬比大,而焊縫熱影響區(qū)極小，質(zhì)量好，圖6.18為激光和電弧焊焊縫截面圖比較。a．激光焊b電弧焊圖6.18激光焊和電弧焊焊縫截面形狀比較第70頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光焊接第三，激光束易于控制的特點(diǎn)使得焊接工作能夠更方便的實(shí)現(xiàn)自動化和智能化。采用大焦距的激光系統(tǒng),還可實(shí)現(xiàn)特殊場合下的焊接,如由軟件控制進(jìn)行需隔離的遠(yuǎn)距離在線焊接、高精密防污染的真空環(huán)境焊接等。這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前歐美一些國家,對高檔汽車車殼與底座、飛機(jī)機(jī)翼、航天器機(jī)身等一些特種材料和微小接觸點(diǎn)的焊接,激光的應(yīng)用已廣泛取代了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。我國從二十世紀(jì)七十年代開始研究開發(fā)激光焊接，現(xiàn)在也已在大規(guī)模的推廣應(yīng)用之中。第71頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光焊接激光焊接設(shè)備和前兩節(jié)中講述的幾種激光加工設(shè)備一樣，也由激光器、光束變換系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖6.19所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。它可以同時完成六點(diǎn)焊接，一次完成陰極芯的組裝。三臺激光器的輸出都被分成三束，三束中的一束只占不到0.1%的能量，用以射入檢測探頭，反饋控制保證激光器輸出能量的穩(wěn)定性。另外六束分別完成六點(diǎn)的焊接工作。每次焊接過程只需要幾毫秒的時間，能夠大大地提高生產(chǎn)率。圖6.19陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖

第72頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光焊接激光焊接主要有熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種。熱導(dǎo)焊采用的激光功率為105w/cm2

左右，是靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行焊接的，焊縫深度小于2.5mm，焊縫的深寬比一般為1以下。深熔焊采用的功率密度在106~107w/cm2

之間，焊縫的深寬比最大可達(dá)12：1。第73頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1激光熱導(dǎo)焊1.激光熱導(dǎo)焊的原理熱導(dǎo)焊時，激光輻射能量作用于材料表面，激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使材料熔化，在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運(yùn)動，溶池中的熔融金屬并不會向前運(yùn)動。在激光束向前運(yùn)動后，溶池中的熔融金屬隨之凝固，形成連接兩塊材料的焊縫。激光輻射能量只作用于材料表面，下層材料的熔化靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行。激光能量被表層10-100nm的薄層所吸收使其熔化后，表面溫度繼續(xù)升高，使熔化溫度的等溫線向材料深處傳播。表面溫度最高只能達(dá)到汽化溫度，因此，用這種加熱方法所能達(dá)到的熔化深度受到汽化溫度和熱導(dǎo)率的限制，主要用于?。?mm左右）、小零件的焊接加工。第74頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光熱導(dǎo)焊的工藝及部分參數(shù)(1)

激光熱導(dǎo)焊的連接形式片狀工件焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊，絲與絲之間焊接形式有對焊、交叉焊、搭接焊、T形焊、等，絲與塊狀零件之間的焊接形式有細(xì)絲插入預(yù)鉆孔中、T形連接、細(xì)絲嵌入槽中以及端焊若干種形式。第75頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）激光功率密度熱導(dǎo)焊是在功率密度低于下面要講的深熔焊產(chǎn)生匙孔的臨界功率密度時進(jìn)行的焊接，激光功率密度低決定了其焊接熔深淺，焊接速度慢。圖6.20是熱導(dǎo)焊接不銹鋼時熔化深度、掃描速度與激光功率密度的關(guān)系。圖中1、2、3分別為1.0、3.0、10.0mm／s的掃描速度時熔化深度曲線。圖6.20激光熱導(dǎo)焊功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)系

第76頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熱導(dǎo)焊的工藝及部分參數(shù)（3）離焦量對焊接質(zhì)量的影響因?yàn)榻裹c(diǎn)處激光光斑中心的光功率密度過高，激光熱導(dǎo)焊通常需要一定的離焦量，使得光功率分布相對均勻。離焦方式有兩種，焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。在實(shí)際應(yīng)用中，要求熔深較大時采用負(fù)離焦，焊接薄材料時宜用正離焦。此外離焦量還直接影響到焊逢的寬度。表6.2中列了用250W連續(xù)CO2激光器進(jìn)行連續(xù)熱導(dǎo)焊的一些工藝參數(shù)數(shù)據(jù)第77頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.2用250W連續(xù)CO2激光器連續(xù)熱導(dǎo)焊數(shù)據(jù)材料接頭方式厚度（mm）焊接速度（mm/min）焊縫寬度（mm）0Cr18Ni11Ti對接0.258890.711Cr18Mn9對接0.252501.01因康鎳合金（600）對接0.2510000.46蒙乃爾鎳銅合金（400）對接0.253810.64普通純鈦對接0.2512700.56不銹鋼1Cr18Mn9搭接0.253810.76第78頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光熱導(dǎo)焊的工藝及部分參數(shù)（4）脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形激光熱導(dǎo)焊也可以用脈沖激光來完成，其脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影響。焊接銅、鋁、金、銀等高反射率的材料，為了突破高反射率的屏障，使金屬瞬間熔化把反射率降低下來，實(shí)現(xiàn)后續(xù)的熱導(dǎo)焊過程，需要脈沖帶有一個前置的尖峰。而對于鐵、鎳、鉬、鈦等黑色金屬，表面反射率較低，應(yīng)采用較為平坦或平頂?shù)牟ㄐ?。?）脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度脈沖寬度影響到焊接熔深，熱影響區(qū)的寬度等焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長，焊接熔深熱影響區(qū)都大，反之則小。因此，要根據(jù)激光功率的大小，要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當(dāng)選擇脈沖寬度。第79頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.2激光深熔焊1、原理當(dāng)激光功率密度達(dá)到106—107W／cm2時，功率輸入遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔（圖6.21），孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。稱為小孔效應(yīng)(KeyholeEffet)。圖6.21深熔焊小孔示意圖第80頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月1.激光深熔焊的原理小孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光能量完全吸收，使包圍著這個孔腔的金屬熔化?？妆谕庖后w的流動和壁層的表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束攜帶著大量的光能量不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動。隨著光束向前移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。小孔隨著前導(dǎo)光束向前移動后，熔融的金屬充填小孔移開后留下的空腔并隨之冷凝形成焊縫，完成焊接過程。整個過程發(fā)生的極快，使焊接速度很容易地達(dá)到每分鐘數(shù)米第81頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光深熔焊工藝參數(shù)(1)臨界功率密度深熔焊時，功率密度必須大于某一數(shù)值，才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值，稱為臨界功率密度。不同材料具有不同的臨界功率密度的大小。因此決定了各種材料進(jìn)行激光深熔焊的難易程度。(2)激光深熔焊的熔深激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān)，也是功率和光斑直徑的函數(shù)。在一定的激光功率下，提高焊接速度，熱輸入下降，焊接熔深減少。對于給定的激光功率等條件，存在一維持深熔焊接的最小焊接速度。第82頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2.激光深熔焊工藝參數(shù)盡管適當(dāng)降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度過低，熔深卻不會再增加，反而使熔寬增大。其主要原因是，激光深熔焊時，維持小孔存在的主要動力是金屬蒸汽的反沖壓力。在焊接速度低到一定程度后，熱輸入的增加，熔化金屬越來越多。當(dāng)金屬汽化所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時，小孔不僅不再加深，甚至?xí)罎?。使得焊接過程蛻變?yōu)閭鳠岷附樱蚨凵畈粫偌哟?。另一個原因是隨著金屬汽化的增加，小孔區(qū)溫度上升，等離子體的濃度增加，對激光的吸收增加。這些原因使得低速時，深熔焊熔深有一個最大值。也就是說，對于給定的激光功率等條件，存在一維持深熔焊接的最小焊接速度。

第83頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光焊接過程中的幾種效應(yīng)(1)深熔焊焊接過程中的等離子體

在高功率密度條件下進(jìn)行激光加工時會出現(xiàn)等離子體。等離子體的產(chǎn)生是物質(zhì)原子或分子受能量激發(fā)電離的結(jié)果。任何物質(zhì)在接收外界能量而溫度升高時，原子或分子受能量(光能、熱能、電場能等)的激發(fā)都會產(chǎn)生電離，從而形成自由運(yùn)動的電子、帶正電的離子和中性原子組成的等離子體。激光焊時，金屬被激光加熱汽化后，在熔池上方形成高溫金屬蒸氣。金屬蒸氣中有一定的自由電子。處在激光輻照區(qū)的自由電子通過逆韌致輻射吸收能量而被加速，直至其有足夠的能量來碰撞、電離金屬蒸氣和周圍氣體，電子密度從而雪崩式地增加，產(chǎn)生等離子體。電子密度最后達(dá)到的數(shù)值與復(fù)合速率有關(guān)，也與保護(hù)氣體有關(guān)。第84頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光焊接過程中的幾種效應(yīng)-1激光加工過程中的等離子體主要為金屬蒸氣的等離子體，這是因?yàn)榻饘俨牧系碾婋x能低于保護(hù)氣體的電離能，金屬蒸氣較周圍氣體易于電離。如果激光功率密度很高，而周圍氣體流動不充分時，也可能使周圍氣體離解而形成等離子體。高功率激光深熔焊時，位于熔池上方的等離子體，會引起光的吸收和散射，改變焦點(diǎn)位置，降低激光功率和熱源的集中程度，從而影響焊接過程。等離子體對激光的吸收率與電子密度和蒸氣密度成正比，隨激光功率密度和作用時間的增長而增加，并與波長的平方成正比。同樣的等離子體，對波長為10.6μm的CO2激光的吸收率比對波長為1.06μm的YAG激光的吸收率高兩個數(shù)量級。由于吸收率不同，不同波長的激光產(chǎn)生等離子體所需的功率密度閾值也不同。YAG激光產(chǎn)生等離子體閾值功率密度比CO2激光的高出約兩個數(shù)量級。也就是說用CO2激光進(jìn)行加工時，易產(chǎn)生等離子體并受其影響，而用YAG激光加工，等離子體的影響則較小。第85頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光焊接過程中的幾種效應(yīng)-2激光通過等離子體時，改變了吸收和聚焦條件，有時會出現(xiàn)激光束的自聚焦現(xiàn)象。等離子體吸收的光能可以通過不同渠道傳至工件。如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成工件接收光能的損失，等離子體反而會增強(qiáng)工件對激光能量的吸收，這時，等離子體也可看作是一個熱源。激光功率密度處于形成等離子體的閾值附近時，較稀薄的等離子體云集于工件表面，工件通過等離子體吸收能量。當(dāng)材料汽化和形成的等離子體云濃度間形成穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時，工件表面有一較穩(wěn)定的等離子體。其存在有助于加強(qiáng)工件對激光的吸收。用CO2激光加工鋼材，與上述情況相應(yīng)的激光功率密度約為106W/cm2。由于等離子體的作用，工件對激光的總吸收率可由10％左右增至30％-50％。第86頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光焊接過程中的幾種效應(yīng)-3激光功率密度為106～107W／cm2時，等離子體的溫度高，電子密度大，對激光的吸收率大，并且高溫等離子體迅速膨脹，逆著激光入射方向傳播(速度約為105～106cm／s)，形成所謂激光維持的吸收波。在這種情形中，會出現(xiàn)等離子體的形成和消失的周期性振蕩(圖5-2)。這種激光維持的吸收波，容易在激光焊接過程中出現(xiàn)，必須加以抑制。進(jìn)一步加大激光功率密度(大于107W／cm2)，激光加工區(qū)周圍的氣體可能被擊穿。擊穿各種氣體所需功率密度大小與氣體的導(dǎo)熱性、解離能和電離能有關(guān)。氣體的導(dǎo)熱性越好，能量的熱傳導(dǎo)損失越大，等離子體的維持閾值越高，在聚焦?fàn)顟B(tài)下就意味著等離子體密度越低，越不易出現(xiàn)等離子體屏蔽。對于電離能較低的氬氣，氣體流動狀況不好時，在略高于106W／cm2的功率密度下也可能出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象?！阍诓捎眠B續(xù)CO2激光進(jìn)行加工時，其功率密度均應(yīng)小于107W／cm2。在激光焊接中可采用輔助氣體側(cè)吹或后吹法、真空室內(nèi)焊接法、激光束調(diào)焦法、跳躍式激光焊接法、功率調(diào)制法和磁場電場控制等方法控制等離子體的屏蔽作用。第87頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光焊接過程中的幾種效應(yīng)-4（2）壁聚焦效應(yīng)當(dāng)激光深熔焊小孔形成以后，激光束將進(jìn)入小孔。當(dāng)光束與小孔壁相互作用時，入射激光并不能全部被吸收，有一部分將由孔壁反射在小孔內(nèi)某處重新會聚起來，這一現(xiàn)象稱為壁聚焦效應(yīng)。壁聚焦效應(yīng)的產(chǎn)生，可使激光在小孔內(nèi)部維持較高的功率密度，進(jìn)一步加熱熔化材料。對于激光焊接過程，重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度必須足夠高，以維持孔底有足夠高的溫度，產(chǎn)生必要的汽化壓力，維持一定深度的小孔。小孔效應(yīng)的產(chǎn)生和壁聚焦效應(yīng)的出現(xiàn)，能大大地改變激光與物質(zhì)的相互作用過程，當(dāng)光束進(jìn)入小孔后，小孔相當(dāng)于一個吸光的黑體，使能量的吸收率大大增加。第88頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月3.激光焊接過程中的幾種效應(yīng)-5（3）凈化效應(yīng)凈化效應(yīng)是指CO2激光焊時，焊縫金屬有害雜質(zhì)元素減少或夾雜物減少的現(xiàn)象。產(chǎn)生凈化效應(yīng)的原因是，對于波長為10.6μm的CO2激光，非金屬夾雜物的吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬，當(dāng)非金屬和金屬同時受到激光照射時，非金屬將吸收較多的激光使其溫度迅速上升而汽化。當(dāng)這些元素固溶在金屬基體時，由于這些非金屬元素的沸點(diǎn)低，蒸氣壓高，它們會從熔池中蒸發(fā)出來。上述兩種作用的總效果是焊縫中的有害元素減少，這對金屬的性能，特別是塑性和韌性，有很大好處。當(dāng)然，激光焊凈化效應(yīng)產(chǎn)生的前提必須是對焊接區(qū)加以有效地保護(hù)，使之不受大氣等的污染。第89頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.3激光復(fù)合焊激光焊接從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接，經(jīng)歷了近40年的發(fā)展，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域。但激光焊的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來。首先，激光設(shè)備價格昂貴，一次性投資量大，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，即極小的激光聚焦光斑對焊前工件的加工質(zhì)量要求過高，工藝要求嚴(yán)格地定位裝配，典型的最大允許的焊縫間隙不大于材料厚度的0.1倍，這就要求大而特殊又昂貴的焊接夾具；其次，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。高的焊接速度導(dǎo)致高的凝固速度，這樣在焊縫中可能產(chǎn)生裂紋或氣孔，得出比傳統(tǒng)焊接方法性能更脆的結(jié)構(gòu)。最后，像鋁、銅和金這樣的高反射材料，用YAG激光焊就很困難，而用CO2激光焊則更困難。第90頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.3激光復(fù)合焊

針對這些缺點(diǎn)，激光－電弧復(fù)合焊（以下簡稱激光復(fù)合焊）應(yīng)運(yùn)而生。激光復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點(diǎn)在于：1．可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好。2．有利于減小氣孔傾向。3．可以實(shí)現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。4．電弧對等離子體有稀釋作用，可減小對激光的屏蔽效應(yīng)，同時激光對電弧有引導(dǎo)和聚焦作用，使焊接過程穩(wěn)定性提高。5．利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。第91頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月1.激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)激光復(fù)合焊在焊接時同時使用激光束和另外一種熱源。激光復(fù)合焊定義為激光束和電弧作用在同一區(qū)域（圖6.22）的焊接工藝。圖6.22激光復(fù)合焊示意圖第92頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊縫的顯著特征是激光焊深穿透小孔型焊縫（圖6.18a）和傳統(tǒng)焊接酒杯型焊縫（圖6.18b）混合而成，哪種型式占優(yōu)取決于激光和傳統(tǒng)熱源的功率比。a．激光焊b電弧焊圖6.18激光焊和電弧焊焊縫截面形狀比較第93頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-1從激光復(fù)合焊的一般定義來看，既沒有限制第二熱源種類，也沒有限制兩種熱源的相對位置。在這樣寬泛的定義中，可以將激光復(fù)合焊理解為激光和其他任何熱源組合的焊接方式。用這個定義，激光復(fù)合焊可以由所使用的熱源形式及其排列來分類（見圖6.23）。需要強(qiáng)調(diào)的是主要激光熱源使焊接能呈深熔焊形式進(jìn)行。由此，有三種主要熱源：CO2、YAG以及光纖激光。前兩種熱源已應(yīng)用于實(shí)際，開發(fā)了幾種復(fù)合焊設(shè)備，后一種還在開發(fā)之中。另外，次要熱源也可能用一種低的聚焦性的高功率半導(dǎo)體激光來代替，可以將YAG激光與半導(dǎo)體激光進(jìn)行復(fù)合焊接。與電弧焊相比，雖然成本更高，半導(dǎo)體激光焊的應(yīng)用具有聚焦區(qū)域可控和能量密度分布和位置可調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。第94頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊圖6.23激光復(fù)合焊按熱源分類

第95頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-2激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種：旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光-電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡單，缺點(diǎn)是熱源的非對稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。第96頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-3現(xiàn)在，大量使用的次要熱源仍然是電弧，其中又可細(xì)分為非熔化電極的鎢極氣體保護(hù)焊和采用熔化電極的氣體金屬電弧焊（分別為GTAW和TIG）。在后一種的情況下，電弧在熔化極（焊絲）和工件之間燃燒。這樣可以通過選擇合適的焊絲合金成分來調(diào)整焊縫的性能。電弧的形狀受保護(hù)氣體的影響，故又可分為惰性氣體焊（MIG）和活性氣體保護(hù)焊（MAG）。在鎢極氣體保護(hù)焊的情況下，經(jīng)常使用惰性氣體，例如氬和氦。這種工藝的特殊形式是等離子弧焊（PAW），由于設(shè)計的特殊焊槍而產(chǎn)生壓縮電弧，使電弧更加集中。另外一種形式是激光和埋弧焊的復(fù)合，它是唯一的一種激光后置的復(fù)合形式。如前所述，另一種有用的次要熱源是感應(yīng)加熱。不像電弧作用于表面，感應(yīng)的功率作用于工件的內(nèi)層。這個層的厚度是感應(yīng)頻率以及被焊材料的電磁性能的函數(shù)。這個技術(shù)可用于所有導(dǎo)電材料。使用合適的感應(yīng)圈形狀和優(yōu)化的參數(shù)（功率和頻率），可改善焊縫質(zhì)量獲得沒有氣孔和裂紋的無缺陷焊縫，可局部地控制激光焊的熱流場并可起到正火作用。第97頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-4對于激光復(fù)合焊的熱源位置安排，有共同作用于一個熔池和分開作用兩種。作用于同一點(diǎn)意味著與單一方法相比改變了局部相互作用區(qū)特征。激光-電弧復(fù)合焊經(jīng)常這樣安排使用。其他熱源例如已經(jīng)談及的半導(dǎo)體激光也可用這種排列。與這樣的排列相反，分開作用意味著暫時的和（或）所選擇熱源的局部分離。可以實(shí)施幾種配置方案。在平行排列中，兩個熱源沿著焊道在垂直或水平方向有一距離。改變次要熱源與激光源的距離可以改變冷卻速率，控制裂紋。也可采用沿焊縫方向分開排列，主要和次要熱源相隔一定距離都沿著同一焊道移動。次要熱源在原理上可以前置或后置。前置具有焊接前的預(yù)熱效應(yīng)。因?yàn)楸缓傅牟牧暇植款A(yù)熱減少了熱傳導(dǎo)的損失使得焊接效率增加。而后置有后熱處理的效果可以改變焊縫的顯微組織。第98頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-5激光源與次要能源配置集成是很重要的。目前已有商品化的產(chǎn)品，也可選擇自己設(shè)計系統(tǒng)。這要求CNC控制部件和復(fù)合焊頭設(shè)計的集成。激光和次要熱源同軸的一體化系統(tǒng)是焊接非線性以及復(fù)雜的三維形狀焊縫的首選。如果使用非同軸集成焊頭，當(dāng)焊接方向發(fā)生變化時，焊道的幾何形狀將發(fā)生變化。下面介紹幾種商用的激光復(fù)合焊系統(tǒng)。圖6.24所示為具有分光鏡的先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)，而且電極位于噴嘴的中心；圖6.25是由Fronius特別為汽車工業(yè)研制的系統(tǒng)。為了接頭的可達(dá)性，特別是在焊接車體結(jié)構(gòu)時，激光復(fù)合焊頭設(shè)計要小巧，焊接頭能夠旋轉(zhuǎn)180度，可以呈鏡面安裝，允許在機(jī)器人上有很寬的垂直調(diào)整范圍，可以改善三維部件的可焊到性。第99頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)圖6.24同軸Nd:YAG激光復(fù)合焊頭圖6.25Fronius制造的集成復(fù)合焊頭第100頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月激光復(fù)合焊原理和工藝特點(diǎn)-6由于掃描單元的集成調(diào)整裝置可以在三維坐標(biāo)任何方向上相對激光束改變焊絲的方位，因此，能適應(yīng)各種焊縫，功率，焊絲類型，焊絲質(zhì)量的連接工作。焊接過程中產(chǎn)生的飛濺引起保護(hù)玻璃的污染。安裝了雙保護(hù)的反射的石英玻璃保護(hù)激光光學(xué)器件免受損毀。玻璃上沉積物減少激光與工件的耦合，使其下降90%，但這與污染的程度有關(guān)。因?yàn)榉雷o(hù)玻璃吸收了激光能量引起熱應(yīng)力，過量的污染通常損壞保護(hù)玻璃。為了防止以上情況發(fā)生，使用一橫向氣流使飛濺偏轉(zhuǎn)90度，使其到達(dá)防護(hù)玻璃之前吸收掉飛濺。設(shè)計了相應(yīng)的橫向噴嘴使其在出口的流速增加。這樣，能夠獲得超音速的氣流并很容易使飛濺偏轉(zhuǎn)。為了防止噴嘴的空氣進(jìn)入焊接區(qū)域，用一個空氣出口管來萃取，保護(hù)機(jī)器單元免受焊接煙塵或飛濺的污染。第101頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2復(fù)合焊技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合焊已經(jīng)有許多應(yīng)用，復(fù)合激光焊接頭已商品化了，主要用于汽車和造船工業(yè)。除了改善工藝穩(wěn)定性和效率，以及減少投資和運(yùn)行成本外，許多激光復(fù)合焊能夠解決單激光焊不能成功解決的問題。在下面簡要討論激光復(fù)合焊應(yīng)用的例子。它表明激光束與其他熱源聯(lián)合使用的方法加大了連接材料的激光焊接的應(yīng)用范圍。汽車工業(yè)是大批量生產(chǎn)的工業(yè)，而造船工業(yè)是以每條船幾公里長焊縫為特征的。在汽車工業(yè)中，與單激光焊相比激光復(fù)合焊具有更高的橋接性。在德國大眾汽車公司引用激光復(fù)合焊以后去掉了焊接時壓緊鋼板的壓緊輪。而且，使焊鋁的角焊縫和對接焊成為可能。在每一輛轎車中，有7條MIG焊縫，11條激光焊，48條激光復(fù)合焊縫，總的焊縫長度達(dá)4980mm。使用的焊槍如圖6.25所示。采用這種方法用3kW的Nd:YAG激光功率可以焊接1-4mm的低碳鋼，不銹鋼和鋁合金。激光復(fù)合焊與單純激光焊相比節(jié)省激光功率1000W。第102頁，課件共144頁，創(chuàng)作于2023年2月2復(fù)合焊技術(shù)的應(yīng)用在德國MeyerWerf造船廠采用12kWCO2激光耦合GMA焊接（稱為預(yù)制造安裝的單元）成功地焊接了12mm角焊縫20多米長。硬度，強(qiáng)度，缺口沖擊，橫向和縱向彎曲試驗(yàn)，十字強(qiáng)度試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)通過了激光復(fù)合焊的認(rèn)證，所有試驗(yàn)都獲得了滿意結(jié)果。由25kWCO2激光器和6kWGMAW組成的系統(tǒng)，具有12m長的框架，焊縫跟蹤和間隙量的調(diào)整，焊接質(zhì)量控制以及過程控制軟件。已經(jīng)焊接了A-36,Dlt-36,HLSA-65,和超級奧氏體鋼SSAL6-XN的高質(zhì)量的焊縫。用深熔焊焊接12mm