1、 激光加工設(shè)備單元教學(xué)設(shè)計(jì) 項(xiàng)目2 激光焊接設(shè)備 任務(wù)1 激光焊接設(shè)備概述授課班級(jí)上課時(shí)間 年 月 日 第 節(jié)上課地點(diǎn)所需課時(shí)4教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)了解激光焊接技術(shù)，培養(yǎng)愛(ài)崗敬業(yè)的奉獻(xiàn)精神理解激光焊接設(shè)備的組成、YAG激光器、 光束聚焦系統(tǒng)、 光束傳輸系統(tǒng)、保護(hù)氣體與碰嘴結(jié)構(gòu)和激光加工機(jī)。重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：激光焊接設(shè)備的組成難點(diǎn)：激光焊接技術(shù)解決方法：1、通過(guò)實(shí)物觀摩，增強(qiáng)學(xué)生的直觀印象，為解決本課的教學(xué)重點(diǎn)打好基礎(chǔ)。2、通過(guò)觀摩和講解，并用多媒體手段，突破本課的難點(diǎn)。參考資料王中林.激光加工設(shè)備與工藝M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011. 鄭啟光.激光加工工藝與設(shè)備M.

2、北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010. 王秀軍.激光加工實(shí)訓(xùn)技能指導(dǎo)（下冊(cè)）M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2014教學(xué)設(shè)計(jì)基本框架第一部分：組織教學(xué)和復(fù)習(xí)上次課主要內(nèi)容 （時(shí)間： 分鐘）提問(wèn)：1.激光對(duì)人體有哪些危害。 2.簡(jiǎn)述我國(guó)激光防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)， 3.激光危害控制分為哪幾類(lèi)？采取控制的方法有哪些？ 4.激光安全訓(xùn)練內(nèi)容有哪些方面？第二部分：學(xué)習(xí)新內(nèi)容【步驟一】說(shuō)明主要教學(xué)內(nèi)容、目的 （時(shí)間： 分鐘） 本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了解激光焊接技術(shù)，理解激光焊接設(shè)備的組成?！静襟E二】 新知識(shí)的引入 （時(shí)間： 分鐘） 激光焊接機(jī)是針對(duì)模具和金屬工件的磨損、劃傷、針孔、裂紋、缺損變形、硬度降低、砂眼等缺陷進(jìn)行沉積、封孔、

3、補(bǔ)平等修復(fù)功能。修復(fù)后基體不變形、不退火、不咬邊和沒(méi)殘余應(yīng)力，不改變其金屬組織狀態(tài)，修復(fù)精度高，涂層厚度從幾微米到幾毫米，只需打磨拋光。大功率氬氣保護(hù)，可長(zhǎng)時(shí)間工作。激光束能量可調(diào)，移動(dòng)速度可調(diào)，可以多種焊接加工。激光焊接自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接。【步驟三】新知識(shí)學(xué)習(xí) （時(shí)間： 分鐘）知識(shí)點(diǎn)一：激光焊接設(shè)備的基本組成對(duì)于激光器，不管采用那種焊接設(shè)備，它們的組成大都相似。激光焊接設(shè)備組成1.激光器；2.光學(xué)系統(tǒng)；3.激光加工機(jī)；4.輻射參數(shù)傳感器；5.工藝介質(zhì)輸送系統(tǒng)；6.工藝參數(shù)傳感器；7.控制系統(tǒng)；8.準(zhǔn)直用He-Ne激光器；9.

4、工件。實(shí)際上，由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，加工要求不同，上述的8個(gè)部分不一定一一具備，各個(gè)部分的功能也差別很大，在選用設(shè)備時(shí)可酌情而定。完整的激光焊接設(shè)備由激光器、光束傳輸和聚焦系統(tǒng)、焊矩或切割、工作臺(tái)、電源及控制裝置、氣源和水源、操作盤(pán)、數(shù)控裝置等組成。情景演示：課件演示激光焊接機(jī)的組成，引導(dǎo)學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，基本能說(shuō)出焊接系統(tǒng)組成的名稱(chēng)。提問(wèn)：請(qǐng)說(shuō)出激光焊接設(shè)備由哪些部分組成的？知識(shí)點(diǎn)二： 焊接激光器特點(diǎn)1YAG激光器激光器是整個(gè)激光焊接系統(tǒng)的中心，用來(lái)產(chǎn)生激光。激光器的種類(lèi)很多，但其結(jié)構(gòu)基本相同，即由激勵(lì)系統(tǒng)、激光活性介質(zhì)和光學(xué)諧振腔三個(gè)部分組成。激勵(lì)系統(tǒng)用于產(chǎn)生光能、電能或化學(xué)能。目前使用的激勵(lì)手段

5、主要有光照射、通電或化學(xué)反應(yīng)等。激光活性介質(zhì)是能夠產(chǎn)生激光的物質(zhì)，如紅寶石、鈹玻璃、氖氣、二氧化碳、半導(dǎo)體、有機(jī)染料等。在焊接加工中，最常用的激光器是CO2激光器和Nd：YAG激光器，二者的性能比較如表3-2所示。表3-2 YAG激光與CO2激光性能比較激光類(lèi)型YAG激光CO2激光光束波長(zhǎng)輸出功率等級(jí)0.15kw0.545kw脈沖能力DC-60khzDC-5khz光束模式多模TEM00多模光束傳播系數(shù)（K）電-光轉(zhuǎn)換效率3%10%15%30%光束傳輸光學(xué)鏡片或光纖光學(xué)鏡片焊接效果優(yōu)良好切割效果一般優(yōu)良表面處理好好運(yùn)行成本高低通常而言，大多數(shù)金屬對(duì)Nd：YAG激光波長(zhǎng)的吸收能力比CO2激光波長(zhǎng)強(qiáng)

6、，這對(duì)焊接過(guò)程是有利的。Nd：YAG激光由于采用了光纖傳播，靈活性大大提高，在三維激光焊接領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。2光束聚焦系統(tǒng)聚焦是激光加工中最常見(jiàn)的一種光學(xué)處理，聚焦系統(tǒng)可能只有一個(gè)鏡片，也可能是由多個(gè)鏡片組成。球面反射鏡聚焦系統(tǒng)有三種主要形式。他們的共同特點(diǎn)是其反射鏡的光軸和球面聚焦鏡光軸之間有一夾角，小的夾角有利于獲得好的聚焦效果，一般限制夾角在70度之內(nèi)。該聚焦系統(tǒng)適合于焊接環(huán)形焊縫。3光束傳輸系統(tǒng)光束的傳輸元件包括將光束從激光源傳輸?shù)郊庸ゎ^的所有零部件，如用于擴(kuò)散光束的外部擴(kuò)束鏡、光束轉(zhuǎn)向元件、能量分配元件（也稱(chēng)分光鏡）以及用于光束轉(zhuǎn)彎的反射鏡等。在CO2激光器中，光束是通過(guò)反射鏡來(lái)

7、轉(zhuǎn)向和傳輸?shù)模琋d：YAG激光由于波長(zhǎng)的緣故，其光束也可通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。（1）光束的擴(kuò)束透鏡聚焦一方面要保證足夠小的聚焦光斑直徑，另一方面需要有足夠的工作距離。工作距離與透鏡焦距成正比。在f/d（焦距/光束直徑）保持一最佳值得前提下，焦距f實(shí)際上由光束直徑d所決定。CO2激光的光束直徑一般較大，相應(yīng)的透鏡焦距也較大，YAG的光束直徑較小，直接用透鏡聚焦，透鏡焦距很小，難以保證要求的工作距離，因此YAG激光常經(jīng)過(guò)擴(kuò)束再聚焦，而CO2激光則較少采用擴(kuò)束裝置。（2）光束的轉(zhuǎn)向?qū)τ诠馐D(zhuǎn)向元件的要求是應(yīng)當(dāng)確保光束在經(jīng)過(guò)光路上的不同光學(xué)元件時(shí)保持源光束的功率不變。CO2激光器和Nd：YAG激光器的傳統(tǒng)

8、轉(zhuǎn)向方法都是將反射鏡插入在光束的傳輸路徑中。（3）光束的能量分配 某些加工任務(wù)可能需要在幾個(gè)不同工位同時(shí)使用一個(gè)光束源的能量，我們稱(chēng)將光束能量以不同形式進(jìn)行分配的標(biāo)準(zhǔn)元件為能量分配元件，這類(lèi)元件常用于Nd：YAG激光器中。有的能量分配元件只能提供固定的分束比，也有一些可由用戶(hù)來(lái)選擇分束比。每個(gè)能量分配元件都有兩個(gè)輸出路徑。（4）反射鏡傳輸幾何分配激光束透視分配激光束光束轉(zhuǎn)向鏡部分透射鏡50505050CO2激光器是通過(guò)反射鏡將光束傳輸至工件表面。如果要使加工區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的光束質(zhì)量都保持恒定，在與精密機(jī)械導(dǎo)軌相配合的同時(shí)，反射鏡必須具有很高的反射度和表面光潔度。與傳統(tǒng)光束傳輸系統(tǒng)相比，這種光束傳

9、輸幾乎不需要任何調(diào)整，光束路徑長(zhǎng)度恒定，因此在聚焦光學(xué)元件中的輸入光束直徑也恒定，不必再要用于彌補(bǔ)光束發(fā)散的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。若剛性不夠，還可使用玻璃或碳纖維強(qiáng)化的輕型防護(hù)管，完全可以保證光束的精確傳輸。（5）光纖傳輸Nd：YAG激光器除了可采用反射鏡進(jìn)行光束傳輸外，也可采用光纖傳輸。光纖傳輸簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而且光束能夠到達(dá)普通剛性傳輸方法無(wú)法達(dá)到的工作區(qū)域， 光纖傳輸?shù)幕驹碥?chē)車(chē)身的內(nèi)部。光纖傳輸?shù)牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將激光源放在離加工系統(tǒng)較遠(yuǎn)的地方，以適應(yīng)不同的工作條件。光纖的導(dǎo)光光路如下圖所示?？梢?jiàn)，幾塊透鏡與光纖配合使用，其中一塊安裝在激光入口處，另兩個(gè)設(shè)置在光纖輸出端（激光頭）。

10、前者的任務(wù)是把激光聚焦在光纖的端面上，聚光光斑直徑應(yīng)小于或等于光纖直徑，以獲得高傳輸效率；后者的作用是把輸出的光束聚焦到焊件上，焊件的光斑直徑大致與光纖直徑相同。4保護(hù)氣體與噴嘴結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)焊接工藝不同，CO2激光焊的保護(hù)氣體有兩個(gè)作用，除了保護(hù)作用，還有抑制激光等離子體產(chǎn)生的作用。對(duì)于Nd：YAG激光焊接，由于激光波長(zhǎng)較短，等離子體吸收的激光能量較少，對(duì)等離子體的抑制不如CO2激光焊那么重要。實(shí)際進(jìn)行Nd：YAG激光焊接時(shí)，通常使用氬氣作保護(hù)氣體，這主要考慮三方面的原因：價(jià)格相對(duì)便宜；保護(hù)作用好；可以不用考慮等離子體作用。保護(hù)氣體對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)是必要的，在大多數(shù)焊接過(guò)程中，這些氣體直接通過(guò)特

11、殊的噴嘴供應(yīng)到激光的輻射區(qū)域。對(duì)于大多數(shù)的焊接應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最有效的方法是將噴嘴設(shè)計(jì)為與激光束同軸放置，但在一維焊接應(yīng)用中比較常用的是將保護(hù)氣體從光束側(cè)面送入。通常，噴嘴到工件的距離在310mm的范圍之間，典型的噴嘴孔直徑在48mm之間，一般氣體壓力較低，氣體流速在830L/min之間。圖3-20為CO2和Nd：YAG激光器應(yīng)用較為廣泛的焊接噴嘴典型形狀。如圖示，CO2和Nd：YAG激光器的焊接噴嘴形狀蓋型螺母噴嘴軟管密封蓋保護(hù)鏡蓋氣體接口可互換的噴嘴頭（a）CO2激光焊接嘴結(jié)構(gòu)（b）Nd：YAGCO2激光焊接嘴結(jié)構(gòu)，為了使焊接光學(xué)元件免受焊接中所產(chǎn)生的粉塵污染和飛濺的影響，人們提出了幾種橫向噴射

12、式噴嘴的設(shè)計(jì)思想。他們的基本原理都是考慮使氣流垂直穿過(guò)激光束，針對(duì)不同的技術(shù)要求，或是用于吹散焊接煙塵，或是利用高動(dòng)能使金屬顆粒轉(zhuǎn)向。5激光加工機(jī)加工頭是激光外光路系統(tǒng)（導(dǎo)光系統(tǒng)）末端，可以通過(guò)它調(diào)整焦距、工作距離，以便獲得各種光斑尺寸。高級(jí)加工頭配有隨動(dòng)系統(tǒng)，能隨工件表面形狀的變化自動(dòng)調(diào)整位置。激光加工設(shè)備一般配備工件裝卡以及上下料裝置。加工機(jī)的光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式主要有以下兩種：激光束不動(dòng)，工件運(yùn)動(dòng) 對(duì)大重量的工件，其運(yùn)動(dòng)慣性大，不宜采用這種運(yùn)動(dòng)方式。激光束運(yùn)動(dòng)，工件固定不動(dòng)，光束的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)反射鏡、透射鏡或聚焦鏡等光學(xué)部件的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。該運(yùn)動(dòng)方式適合于較重工件的加工。功能良好的加工機(jī)運(yùn)動(dòng)維數(shù)一般在五維以上，可以加工復(fù)雜零件。情景演示：講解并觀摩課件：激光焊接機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)五大部分提問(wèn)：激光焊接機(jī)有哪些特點(diǎn)？【步驟四】總結(jié) （時(shí)間： 分鐘） 中國(guó)的激光焊接處于世界先進(jìn)水平，具備了使用激光成形超過(guò)12平方