第二章激光焊

第二章激光焊第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-1激光焊概述§2-2激光焊設(shè)備與工藝§2-3典型材料的激光焊§2-4激光安全與防護

本章目錄第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2-1激光焊概述

激光焊（LaserBeam

Welding，LBW）是利用能量密度極高的激光束作為焊接熱源的一種高效精密焊接方法。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點。世界上的第一個激光束于1960年利用閃光燈泡激發(fā)紅寶石晶粒所產(chǎn)生，因受限于晶體的熱容量，只能產(chǎn)生很短暫的脈沖光束且頻率很低。雖瞬間脈沖峰值能量可高達(dá)106瓦，但仍屬于低能量輸出。目前使用釹為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒和使用CO2為激發(fā)物的CO2激光已廣泛用于金屬的加工。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、激光束的基本特性單色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、單色性單色性最好的是氣體激光器產(chǎn)生的激光。

He-Ne激光器產(chǎn)生的632.8nm譜線，線寬只有10-9nm。普通光源中單色性最好的用來作為長度基準(zhǔn)器的氪燈（Kr86），其譜線寬度為4.7×10-3nm。

激光自然光波長能量激光的單色性比一般光高出106～107倍以上。自然光由波長范圍較寬的光構(gòu)成，而激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、方向性好、亮度高光源發(fā)出的激光平行傳播的程度稱為方向性。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。

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。第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3、相干性好

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。正是由于激光的上述特點，人們將激光應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。激光聚焦后在焦點上的功率密度可高達(dá)106~109W/cm2，比通常的焊接熱源高幾個數(shù)量級，成為一種理想的焊接熱源。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、激光焊原理及特點激光是激光活性物質(zhì)（工作物質(zhì)）受到激勵，產(chǎn)生輻射，通過光放大而產(chǎn)生一種單色性好、方向性強、光亮度高的光束。經(jīng)透射或反射鏡聚焦后可獲得直徑小于0.01mm、功率密度最高達(dá)1012W/cm2的能束，可用作焊接、切割及表面處理的熱源。一張紙在激光打印機中的歷程激光焊接的鋸片第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月激光焊是以聚焦的激光束作為能源照射到焊件接縫處所產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法。其實質(zhì)上是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程，微觀上是一個量子過程，宏觀上則表現(xiàn)為反射、吸收、加熱、熔化、氣化等現(xiàn)象。

1、材料對激光的吸收激光焊時，激光照射到被焊接件的表面，與其發(fā)生作用，一部分被反射，一部分進入焊件內(nèi)部。激光焊的熱效應(yīng)取決于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。金屬對激光的吸收率與激光波長、金屬性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關(guān)。（一）激光焊的基本原理第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、材料的加熱、熔化和氣化激光光子入射到金屬晶體上，光子即與電子發(fā)生非彈性碰撞，將能量傳遞給電子，使電子由原來的低能級躍遷到高能級，而處于高能級的電子將在與其它電子的碰撞以及與晶格的互相作用中進行能量的傳遞，最終轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動能，引起材料溫度升高，改變表面及內(nèi)部溫度。光能向熱能的轉(zhuǎn)換是在極短時間（約為10-9s）內(nèi)完成的。在這個時間內(nèi)，熱能僅局限于材料的激光輻射區(qū)，而后通過熱傳導(dǎo)，熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。激光焊時，材料達(dá)到熔點所需時間為微秒級。脈沖焊時，功率密度達(dá)到105W/cm2時，達(dá)到沸點只需幾微秒；功率大于106W/cm2時，材料急劇蒸發(fā)。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在連續(xù)激光深熔焊接時，由于蒸發(fā)，蒸氣壓力和蒸氣反作用力等能克服熔化金屬表面張力以及液體金屬靜壓力而形成“小孔”。而“小孔”類似于“黑洞”，有助于對光束能量的吸收。

壁聚焦效應(yīng):激光束射入小孔中時，由于激光束聚焦后不是平行光束，與孔壁間形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，經(jīng)多次反射而達(dá)到孔底，最終被完全吸收。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、焊縫的形成隨著工件和光束做相對運動，由于劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的表面張力使“小孔”前沿的熔化金屬沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面處形成如圖所示的熔流。“小孔”后方液態(tài)金屬由于散熱的結(jié)果，溫度迅速降低、凝固，形成連續(xù)的焊縫。小孔和熔融金屬流動的示意圖

第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）激光焊的特點

1、激光焊的優(yōu)點

①聚焦后功率密度可達(dá)105~107W／cm2，加熱速度快，熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小，易于實現(xiàn)深熔焊和高速焊，特別適合于精密焊接和微細(xì)焊接。

②可獲得深寬比大的焊縫，激光焊的深寬比目前已超過12:1，焊接厚件時可不開坡口一次成形。

③適宜于常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬、熱敏感性強的材料以及熱物理性能差異懸殊、尺寸和體積懸殊的工件間焊接；也可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃等。第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

④可借助反射鏡使光束達(dá)到一般焊接方法無法施焊的部位；YAG激光和半導(dǎo)體激光可通過光導(dǎo)纖維傳輸，可達(dá)性好，適用于微型零件和遠(yuǎn)距離的焊接。

⑤可穿過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行焊接，例如可焊接置于玻璃密封容器內(nèi)的鈹合金等劇毒材料。

⑥激光束不受電磁干擾（電弧焊接及電子束焊接則受干擾），能精確的對準(zhǔn)焊件。

⑦不存在

X

射線的防護問題，也不需要真空保護。第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、激光焊的缺點

①難以焊接反射率較高的金屬；高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。

②對焊件加工、組裝、定位要求準(zhǔn)確；

③最大可焊厚度受到限制，厚度超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接；

④能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%；

⑤當(dāng)進行中高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)；

⑥焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮；

⑦設(shè)備一次性投資大。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、激光焊的應(yīng)用

1、制造業(yè)應(yīng)用

激光拼焊技術(shù)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬件，并繼續(xù)以較高速度增長。國內(nèi)生產(chǎn)的引進車型Passat、Buick、Audi

等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以

CO2激光焊代替了閃光對焊進行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接；板厚100微米以下的箔片，無法熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等；國內(nèi)蘇寶蓉等進行了齒輪激光焊技術(shù)。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、粉末冶金領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對材料特殊要求，應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，與其它零件的連接問題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在八十年代初，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料的加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、汽車工業(yè)

20世紀(jì)80年代后期，千瓦級激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接；90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多，根據(jù)統(tǒng)計，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t，比1998年增加3倍。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

4、電子工業(yè)激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨特的優(yōu)越性。在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等；傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05~0.1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子弧焊穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊效果很好，因此得到廣泛的應(yīng)用。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5、生物醫(yī)學(xué)

生物組織激光焊接始于20世紀(jì)70年代，Klink等及jain

用激光焊接輸卵管和血管的成功顯示出激光焊獨特的優(yōu)越性，使更多的研究者嘗試焊接各種生物組織，并推廣到其它組織的焊接。有關(guān)激光焊接神經(jīng)方面，目前國內(nèi)外的研究主要集中在激光波長、劑量及其對功能恢復(fù)以及激光焊料的選擇等方面的研究，劉銅軍進行了激光焊接小血管及皮膚等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上又對大白鼠膽總管進行了焊接研究。激光焊接方法與傳統(tǒng)的縫合方法比較，激光焊接具有吻合速度快，愈合過程中沒有異物反應(yīng)，保持焊接部位的機械性質(zhì)，被修復(fù)組織按其原生物力學(xué)性狀生長等優(yōu)點，必將在以后的生物醫(yī)學(xué)中得到更廣泛的應(yīng)用。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

6、其它領(lǐng)域

在其它行業(yè)中，激光焊接也逐漸增加特別是在特種材料焊接中國內(nèi)進行了許多研究，如對BT20鈦合金、HE130合金、Li-ion電池等激光焊接，德國玻璃機械制造商GlamacoCoswig公司與IFW接合技術(shù)與材料實驗研究院合作開發(fā)出了一種用于平板玻璃的激光焊接新技術(shù)。首飾激光焊第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2-2激光焊設(shè)備與焊接工藝一、激光焊設(shè)備主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、光速檢測器、工作臺、焊槍、電源及控制系統(tǒng)、氣源、水源、操作盤、數(shù)控裝置等部分組成。激光氣輔助氣操作盤N/C裝置工作臺焊槍電源控制裝置冷卻器空壓機空氣水激光器第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1、激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在1.5～6kW范圍，但現(xiàn)在世界上最大的CO2激光器已達(dá)50kW。而YAG激光器在過去相當(dāng)長一段時間內(nèi)提高功率有困難，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微聯(lián)接。但是，近幾年來，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進展，最大功率已達(dá)5kW，并已投入市場。由于其波長短，僅為CO2激光的1/10，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，使導(dǎo)光系統(tǒng)大為簡化?？梢灶A(yù)料，大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展，成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件，尤其是透鏡性能會劣化和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3、激光焊接機它的作用是實現(xiàn)光束與工件之間的相對運動，完成激光焊接，分焊接專機和通用焊接機兩種。后者常采用數(shù)控系統(tǒng)，有直角坐標(biāo)二維、三維焊接機或關(guān)節(jié)型激光焊接機器人。第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、激光焊工藝1、功率密度激光能作用于固態(tài)金屬表面時，按功率密度不同可產(chǎn)生三種不同加熱狀態(tài)。①功率密度較低時，僅對表面產(chǎn)生無熔化的加熱，這種狀態(tài)用于表面熱處理或釬焊；②功率密度提高時，可產(chǎn)生熱傳導(dǎo)型的熔化加熱，用于薄板高速焊及精密點焊；③功率密度進一步提高時，則會產(chǎn)生熔孔型熔化，用于深熔焊。

因此，只須調(diào)節(jié)激光的功率密度，即能實現(xiàn)不同加工工藝的要求。第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、調(diào)整功率密度的主要方法①調(diào)節(jié)輸入激光器的能量；②調(diào)節(jié)光斑尺寸，即激光束與金屬固體表面交叉面積的大小；③改變光模形式，即改變光斑中能量的分布；④改變脈沖寬度及前沿的梯度等。3、吸收率激光焊接的熱效應(yīng)取決于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。金屬的吸收率又與溫度密切相關(guān)。光亮的金屬表面對激光有很強的反射作用，吸收率降低。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月4、離焦量是工件表面離激光焦點的距離。工件表面在焦點以內(nèi)時為負(fù)離焦，與焦點的距離為負(fù)離焦量，反之為正離焦，用△F表示。離焦量不僅影響工件表面激光光斑的大小，而且影響光束的入射方向，因而對熔深和焊縫形狀有較大的影響。304不銹鋼，0.8mm搭接，CO2激光，時間t=0.3s，離焦量ΔF=0.8mm

激光點焊的焊點形貌第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2-4激光的安全防護焊接和切割中所用激光器輸出功率或能量非常高，激光設(shè)備中又有數(shù)千伏至數(shù)萬伏的高壓激勵電源，能對人體造成傷害。激光安全防護的重點是眼睛和皮膚。此外，也應(yīng)注意防止火災(zāi)和電擊等，否則將導(dǎo)致人身傷亡或其他一些危害極大的事故。一、激光的危害

激光打印機的危害

與吸煙旗鼓相當(dāng)，嚴(yán)重可致癌。據(jù)國外媒體報道，國際空氣質(zhì)量與健康實驗室（ILAQH）科學(xué)家們測試結(jié)果顯示，部分激光打印機所釋放出的有害微粒與吸煙釋放出的有害微粒旗鼓相當(dāng)，吸入后嚴(yán)重情況下可以致癌。

第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）對眼睛的傷害1、受激光直接照射，會由于激光的加熱效應(yīng)引起燒傷，可瞬間使人致盲，危險最大，后果最嚴(yán)重。即使是數(shù)毫瓦的He-Ne激光，雖然功率小，但由于人眼的光學(xué)聚焦作用，也會引起眼底組織的損傷。2、激光加工時由于工件表面對激光的反射，也會造成傷害。強反射的危險程度與直接照射相差無幾