激光焊接論文題目激光束焊接原理及應(yīng)用激光在工業(yè)中的應(yīng)用？激光加工技術(shù)應(yīng)用概述激光加工技術(shù)應(yīng)用概述

各種加工方法的適用范圍為什么要采用激光?自動(dòng)化程度高高度的靈活性高精度生產(chǎn)率高革新傳統(tǒng)加工方式革新傳統(tǒng)加工方式世界激光加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀工業(yè)激光器的市場(chǎng)分布激光器制造商：美國(guó)：PRCPRAMA德國(guó)：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國(guó)：LUMONICS日本：川崎重工東芝

各種加工方法的應(yīng)用比例激光加工技術(shù)在汽車中的應(yīng)用激光束的基本特征？高能束焊接的定義

高能束焊接（電子束焊EBW、激光束焊LBW）是利用高能密度束流作為熱源的焊接方法。其能量密度比TIG或MIG等弧焊方法高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，通常高于

5×105W/cm2。激光束基本特性

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要高出106～107倍以上.

He-Ne激光器產(chǎn)生的632.8nm譜線，譜線線寬只有10-9nm。

單色性決定物質(zhì)對(duì)激光能量的吸收和精細(xì)聚焦的可能性。激光自然光波長(zhǎng)能量2、方向性好、亮度高

激光器輸出的光束發(fā)散角度小于10-3~10-5弧度。

激光通過(guò)直徑為D的孔徑時(shí)，由于衍射會(huì)產(chǎn)生一定發(fā)散：發(fā)散角：激光的方向性帶來(lái)兩個(gè)結(jié)果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。

一個(gè)具有10mW功率的He-Ne激光器可產(chǎn)生比太陽(yáng)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(wú)數(shù)的原子與分子發(fā)射，產(chǎn)生波長(zhǎng)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(shí)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。

一、光束的模式

通常把光波場(chǎng)的空間分布分解為沿傳播方向的分布和垂直于傳播方向的橫截面內(nèi)的分布，分別稱為縱模和橫模。

光腔的橫模代表了激光束光場(chǎng)的橫向分布規(guī)律，對(duì)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。

激光束特征描述及光束傳播定義激光束特征描述及光束傳播定義

氣體激光的光能橫向分布

CO2激光通常用TEMmn

表示橫模的光場(chǎng)分布，TEM是橫電磁波“TransverseElectromagneticWave”的縮寫，m、n為正整數(shù)。橫模可以是軸對(duì)稱的，也可以是對(duì)光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。

激光束特征描述及光束傳播定義光斑半徑光強(qiáng)

不論是軸對(duì)稱還是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，其模是一致的，稱為基模。一束沿方向傳播的基模光束的光強(qiáng)可表示為：激光束特征描述及光束傳播定義

YAG等固體激光器，其光能的空間分布則遠(yuǎn)為復(fù)雜，不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式描述。因?yàn)楣腆w激光棒不可避免地存在很多缺陷，折射率不均勻，在光泵作用下受熱而產(chǎn)生光程變化和雙折射等。

固體激光的光能橫向分布

二、發(fā)散角

激光束特征描述及光束傳播定義光束半徑激光束腰遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角光軸

一般只要遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角較小，光束的傳播也可由下面的簡(jiǎn)化公式描述：

三、光束質(zhì)量評(píng)定光束傳播系數(shù)K、光束衍射極限倍數(shù)M，定義如下：

通常K值范圍：0.1～1，M2范圍：1～10K或M2為1，光束質(zhì)量實(shí)際達(dá)到衍射極限。(2)光束參數(shù)積(BPP-BeamParameterProduct)

決定激光加工適用范圍

激光束特征描述及光束傳播定義四、光束的聚焦特性

激光束的反射、透射聚焦

聚焦后焦點(diǎn)半徑：

焦點(diǎn)附近，光束橫截面積為焦點(diǎn)處2倍的兩個(gè)光束橫截面之間的距離稱為瑞利長(zhǎng)度或焦深，可用下式表示：

激光束特征描述及光束傳播定義CO2氣體激光器的標(biāo)準(zhǔn)模式BeamShapeofDonutMode激光是如何產(chǎn)生的？激光的產(chǎn)生

工作物質(zhì)激勵(lì)、受激輻射自激振蕩增益

外界能量注入（泵浦）光學(xué)諧振腔

CO2激光的產(chǎn)生1.激光束2.切向排風(fēng)機(jī)

3.氣流方向4.熱交換器

5.后鏡6.折疊鏡

7.高頻電極

8.輸出鏡

9.輸出窗口

高頻激勵(lì)橫流CO2激光器

一般氣流的流動(dòng)速度較慢,將熱量從放電腔中帶走。工作物質(zhì)為：CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；光束波長(zhǎng)：10.6μm;CO2激光的產(chǎn)生軸流式CO2激光器

幾個(gè)功能部件在諧振腔中采用了光學(xué)串聯(lián)方式連接，這樣既提高了功率，同時(shí)又保持了各部分獨(dú)立設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

CO2激光的產(chǎn)生擴(kuò)散冷卻式CO2激光器

射頻氣體在兩個(gè)大面積銅電極之間放電，電極間隙很小，放電腔中通過(guò)水冷電極可達(dá)到很好的散熱效果，或的相對(duì)較高的能量密度。結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，氣體消耗小。

中心電路光束輸出

諧振腔外殼氣瓶

光束輸出射頻電源

真空泵激光器類型：

橫流軸流擴(kuò)散冷卻

輸出功率等級(jí)：

3~45kW1.5~20kW0.2~3.5kW

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)

0.150.40.9

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

YAG激光的產(chǎn)生根據(jù)工作物質(zhì)分類：紅寶石：激活離子Cr3+，波長(zhǎng)：694.3nm，

Nd:YAG：激活離子：Nd，波長(zhǎng)：1.06m，釹玻璃：激活離子：Nd，波長(zhǎng):1.06m，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。

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(zhǎng)150mm，直徑7~10mm。泵浦過(guò)程中激光棒發(fā)熱，限制了每個(gè)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激光器

將幾個(gè)Nd:YAG棒串聯(lián)起來(lái)可獲得高功率的激光束，每個(gè)獨(dú)立的棒可通過(guò)透鏡引導(dǎo)并規(guī)則的排列起來(lái)。目前的Nd:YAG激光器系統(tǒng)多達(dá)8個(gè)腔。輸出4kW功率。1kW的脈沖Nd:YAG激光器半導(dǎo)體泵浦YAG激光器

半導(dǎo)體在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過(guò)10000小時(shí)(用于打標(biāo)時(shí)壽命可超過(guò)15000小時(shí))，而且無(wú)需任何維護(hù)。而弧光燈泵浦激光器的壽命只在1000小時(shí)以下(打標(biāo)激光器為2000小時(shí)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

YAG激光器的氪弧燈與半導(dǎo)體泵浦源的譜線分布

半導(dǎo)體激光的發(fā)射光和Nd:YAG吸收波段之間的良好光譜匹配降低了Nd:YAG晶體上的熱負(fù)荷，從而可獲得較好的光束質(zhì)量，提高激光輸出功率和脈沖重復(fù)頻率。

半導(dǎo)體泵浦YAG激光器在材料加工中的優(yōu)勢(shì)較小的焦點(diǎn)直徑：切割、焊接時(shí)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(zhǎng)度大：焦點(diǎn)位置對(duì)公差不敏感半導(dǎo)體泵浦盤式Y(jié)b:YAG激光器免調(diào)整型腔體Yb：YAG激光器中的半導(dǎo)體泵浦源輸出功率3000W，雙圓片設(shè)計(jì)輸出功率3000W，雙圓片設(shè)計(jì)熱透鏡效應(yīng)比較YAG棒的設(shè)計(jì)圓盤的設(shè)計(jì)盤式激光器的優(yōu)點(diǎn)焊接中碳鋼掃描焊接原理振鏡掃描焊接的控制振鏡掃描焊接結(jié)果半導(dǎo)體泵浦YAG激光半導(dǎo)體泵浦盤式激光激光器類型：

YAGCO2

光束波長(zhǎng):

1.06m10.6m輸出功率等級(jí)：

0.1~5kW0.5~45kW脈沖能力：

DC-60kHzDC-5kHz光束模式：多模

TEM00-多模光束傳播系數(shù)（K）

0.150.1-0.9

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

CO2、YAG激光器性能比較

半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)的電子空穴復(fù)合時(shí)，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。

典型激光條結(jié)構(gòu)的發(fā)射表面是一個(gè)窄條，被分成25個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列約有25個(gè)發(fā)射點(diǎn)，諧振腔由激光條的兩個(gè)表面構(gòu)成，長(zhǎng)度約為600μm。許多這樣的元件組合起來(lái)可形成一個(gè)“激光條”。半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)808，940，980nm。

激光條中，光以條紋形式發(fā)射，一個(gè)方向看類似波紋頂部輪廓，另一側(cè)面看類似高斯分布輪廓。

激光條前部安裝一個(gè)短焦距的微透鏡，將發(fā)散光轉(zhuǎn)換為平行光。Fast–axiscollimationSlow–axiscollimation

進(jìn)一步提高功率，可在每個(gè)激光條的上面再安裝散熱器，通常將這樣的單元結(jié)構(gòu)稱為“堆?！?，采用專門的反射鏡，將幾個(gè)這樣的堆棧合在一起，能夠傳輸?shù)淖畲蠊β蔬_(dá)6kW。半導(dǎo)體激光能量幾乎是無(wú)限的光從一個(gè)區(qū)域發(fā)出光從不相干的光遠(yuǎn)發(fā)出聚焦性差“亮度低”與常規(guī)激光器增加能量方法的不同之處半導(dǎo)體、CO2、NdYAG激光器的比較光束傳播方式附帶電源的大功率半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光加工頭半導(dǎo)體激光的產(chǎn)生不同激光器的外觀CO2、YAG、半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量對(duì)比工業(yè)用激光器總結(jié)激光是如何傳輸?shù)?？激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成激光器CNC控制系統(tǒng)CNC控制工作臺(tái)循環(huán)水冷系統(tǒng)氣體供給系統(tǒng)光束傳輸及聚焦激光器控制器反射鏡傳輸CO2激光器柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)基本原理光纖傳輸光纖傳輸基本原理

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(guò)某一臨界光纖相關(guān)值。激光束在光纖中傳出時(shí)是發(fā)散的，通過(guò)光學(xué)元件f2和f3進(jìn)行校準(zhǔn)和聚焦。

光纖傳輸方式光纖傳輸方式

多路轉(zhuǎn)接器以很高的轉(zhuǎn)向頻率，依次給超過(guò)20根的光纖提供光源，適合“多點(diǎn)”或“多工位”激光加工。遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)原理

如何選擇激光器?光束質(zhì)量比較光束參數(shù)積與激光功率決定加工范圍激光束特征描述及光束傳播定義CO2激光應(yīng)用波長(zhǎng)10.6um,反射鏡傳輸，功率大。激光焊接汽車組合齒輪激光焊接不銹鋼傳感器功率：2kW焦距：150mm材料：齒輪鋼深度：2.5mm速度：3.5m/min功率：1.3kW焦距：150mm材料：齒輪鋼深度：1.5mm速度：5.5m/min功率：2kW焦距：150mm材料：不銹鋼深度：1.5mm速度：7m/min功率：3.5kW焦距：200mm材料：不銹鋼深度：1.1mm速度：8m/minCO2激光器的應(yīng)用CO2激光焊接石英玻璃激光功率小于1Kw/cm2，可將2mm直徑玻璃棒與3mm厚板連接起來(lái)。激光切割多層針織材料波長(zhǎng)通常在10um左右，因此采用CO2激光器，激光能量、脈沖頻率、氣流速度角度、切割速度等都有較大影響。CO2激光精密切割石英玻璃無(wú)裂紋產(chǎn)生、切口光滑、無(wú)需后處理。激光涂覆過(guò)程的在線檢測(cè)不銹鋼涂覆過(guò)程溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)熱輻射溫度。激光涂覆修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)Ti6Al4V葉片，無(wú)氣孔、裂紋，無(wú)氧化，變形小激光熔覆制作鋁零件AlSi25和AlSi10Mg,無(wú)裂紋，密度接近100％。激光涂覆

切割工具表面涂覆CrN,TiN,TiCN,提高抗磨損性能。激光焊接CO2激光焊接三維激光切割激光填絲焊接CO2激光填絲焊接高碳鋼與低碳鋼，填入的焊絲用以調(diào)節(jié)焊縫的冶金性能。YAG激光應(yīng)用波長(zhǎng)1.06um,光纖傳輸，靈活性大，發(fā)展快。6-軸機(jī)器人YAG激光焊接汽車頂棚（VOLVO）YAG激光器的應(yīng)用厚壁鋁合金焊接8mm厚板剪裁后焊縫邊緣狀況不好，因此采用9KWCO2激光填絲焊接，送絲速度2.4m/min，同時(shí)改進(jìn)熱裂紋和焊縫組織。8mm厚AlMgSiO5，焊縫截面與表面成形YAG激光焊接銅－鋁

鋁0.4mm，銅1mm，激光功率2Kw，鋁銅焊縫容易出現(xiàn)脆化的晶間相，產(chǎn)生裂紋，適當(dāng)改進(jìn)焊接工藝，可以避免裂紋的產(chǎn)生。最大焊速12m/min,焊縫寬度>100um。厚壁管的YAG激光焊接主要用于重型車軸，以往采用摩擦焊，焊后處理時(shí)間長(zhǎng)，且長(zhǎng)度受限制，采用14Kw激光焊接，壁厚10mm，焊接速度1.7m/min.隱藏式焊縫YAG激光焊接焊接用于焊接汽車零件，陽(yáng)極氧化處理的鋁合金，搭接接頭。焊縫不可見(jiàn)，僅在表面留有一個(gè)焊縫圓角。半導(dǎo)體泵浦YAG激光器精密焊接不銹鋼用于焊接廚房用品,要求表面質(zhì)量高,可衛(wèi)生清洗,變形小。激光功率1.4Kw。YAG激光陶瓷微加工3wYAG激光，加工速度1000mm/s，在2mm厚工件上加工650um,300個(gè)／小時(shí)。YAG激光高精度切割石墨激光焊接船體結(jié)構(gòu)

三板對(duì)接的T型接頭，采用激光高頻擺動(dòng)焊接方式。半導(dǎo)體泵浦YAG激光器切割應(yīng)用半導(dǎo)體泵浦YAG激光器焊接應(yīng)用不銹鋼焊接CO2激光器與Yb:YAG盤式激光器比較焊接中碳鋼振鏡掃描焊接結(jié)果半導(dǎo)體泵浦YAG激光半導(dǎo)體泵浦盤式激光最大3mm厚的6061，5754鋁合金同厚度和不同厚焊接獲得很好重復(fù)性；1mm厚板CO2與YAG激光焊接最大焊速可達(dá)10m/min。YAG激光焊接獲得較大的參數(shù)范圍。5754鋁合金焊后無(wú)裂紋，強(qiáng)度與母材相同。建立了加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。下一代鋁合金車體及關(guān)鍵部件的激光焊接發(fā)展的主要技術(shù)：激光焊接：CO2YAG光束成形技術(shù)：雙光束、橢圓光束拼板焊接：正面、橫側(cè)向、俯仰角間隙適應(yīng)能力切割邊的質(zhì)量和直線度要求表面條件6XXX鋁合金的填絲焊半導(dǎo)體激光應(yīng)用波長(zhǎng)800～900nm,光纖傳輸，體積小，光斑形狀多樣。IRDiodeHousingLidwithpushbuttons

WeldingofanelectronickeyDiodePower20-60WWeldingspeed3-10m/minFocaldiameter1mmOilTankTankLidWeldingofanoiltank(GFK)Diodepowerca.60WWeldingspeed1-2m/minFocaldiameter2mm半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用半導(dǎo)體激光的熱導(dǎo)焊與深熔焊2.5Kw半導(dǎo)體激光焊接2mm厚碳鋼板，焊速0.9m/min，功率密度從1104cm2到5104cm2.高功率半導(dǎo)體激光熱導(dǎo)焊、深熔焊最大完成6mm厚不銹鋼板的焊接，焊接特點(diǎn)：焊接過(guò)程有很強(qiáng)的蒸汽等離子體；焊縫深寬比可>2；焊縫組織垂直于中心線結(jié)晶；焊接過(guò)程實(shí)際上是基于熱導(dǎo)焊過(guò)程。3mm厚不銹鋼板深熔焊，焊接過(guò)程產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子體半導(dǎo)體激光焊接鋼盒廚房用具的隱式焊縫半導(dǎo)體激光焊管半導(dǎo)體激光切割技術(shù)

半導(dǎo)體激光可組和成線狀、環(huán)狀多種形式的光束模式，非常有利于切割不同形狀零件?？稍?Kw，0.8m/min時(shí)切割10mm的碳鋼板，在能量密度為8103W/cm2的低能量密度下切割0.5mm厚板需0.2秒，切割0.1mm厚板少于0.1秒。半導(dǎo)體激光切割厚板半導(dǎo)體激光熔覆軸高速熔覆與CO2激光器的熔覆效率比較扭轉(zhuǎn)彈簧表面硬化軸的高速旋轉(zhuǎn)硬化

高速旋轉(zhuǎn)：8～11轉(zhuǎn)／分環(huán)形熱源加熱光環(huán)軸向運(yùn)動(dòng)快速過(guò)程控制受熱載連續(xù)性局限軸最大直徑20mm定制半導(dǎo)體光束模式進(jìn)行激光切割6個(gè)獨(dú)立的半導(dǎo)體激光堆棧組成5mm長(zhǎng)的線光源用于金屬線圈的切割；10個(gè)獨(dú)立的半導(dǎo)體激光堆棧環(huán)繞氧噴嘴排列組成直徑為5mm的環(huán)型光束。環(huán)狀半導(dǎo)體光束10個(gè)圍繞切割嘴同軸排列的半導(dǎo)體激光組成一個(gè)環(huán)狀光束，調(diào)整鏡片和棱鏡角度可形成一個(gè)聚焦的環(huán)狀光束，用以切割與焊縫焊接。光束直徑5mm，最大光束寬度1.4mm，切割10mm厚碳鋼板，速度0.4m/min。新型連接技術(shù)－環(huán)型半導(dǎo)體激光環(huán)型光束的中間直徑5mm,功率2kw，焊接1mm的不銹鋼管與板250ms。半導(dǎo)體激光釬焊半導(dǎo)體激光釬焊主要優(yōu)點(diǎn)：以往釬焊系統(tǒng)不適合單件成形的零件可焊接密封電路板，如SMD電路板以往釬焊系統(tǒng)不能焊接熱敏感性電子元件其高度柔性非常適合電路板的焊接可焊接150um的細(xì)絲接頭

激光焊接過(guò)程材料會(huì)發(fā)生怎樣的變化？

激光與材料相互作用基礎(chǔ)材料在激光作用下的不同狀態(tài)a)固態(tài)加熱b)表層熔化c)表層熔化，形成增強(qiáng)吸收等離子體云

d)形成小孔及阻隔激光的等離子體云溫度升高---熔化----汽化-----形成小孔、等離子體熔化金屬激光束激光束激光束激光束熔池稀薄等離子體致密等離子體熔池材料對(duì)激光能量的吸收

激光入射表面，一部分反射，一部分進(jìn)入材料內(nèi)部。

吸收的光，在材料內(nèi)部穿透。隨穿透路程的增加，光強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，深入表面以下處的光強(qiáng)為：

為表面（）處的透射光強(qiáng)，為材料的吸收系數(shù)。如把光在材料內(nèi)的穿透深度定義為光強(qiáng)降至?xí)r的深度，則穿透深度為。金屬材料對(duì)激光的吸收0.25um（紫外光）～10.6um（紅外光）波段范圍，光在金屬內(nèi)的穿透深度為10nm數(shù)量級(jí)，金屬對(duì)光的吸收系數(shù)約為。金屬對(duì)激光的吸收與波長(zhǎng)、材料性質(zhì)、溫度、表面狀況、偏振特性等一系列因素有關(guān)，分別討論如下。一、波長(zhǎng)的影響ABCDEA.銀B.銅C.鋁D.鎳E.碳鋼1.00.80.60.40.20.00.20.40.61.024681020波長(zhǎng)，μm反射率可見(jiàn)光及其鄰近區(qū)域：不同金屬材料的反射率呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜的變化。紅外光區(qū)：金屬的反射率都表面出共同的規(guī)律性吸收率與偏振和角度的依賴關(guān)系為

:

對(duì)于平行偏振光，吸收率與入射角的依賴關(guān)系表現(xiàn)在布儒斯特角時(shí)吸收率具有最大值，而在0°和90°時(shí)有最小值。垂直偏振光則相反，隨著入射角的增大，吸收率持續(xù)下降。吸收與偏振及入射角的依賴關(guān)系

深熔焊時(shí)產(chǎn)生匙孔，當(dāng)激光沿焊接方向移動(dòng)時(shí)，會(huì)造成匙孔前側(cè)壁的傾斜，其斜面的法線與激光束中心線構(gòu)成角，一般。在這種入射角很大的情況下，S偏振光幾乎全部被反射，接近于0，而且P偏振光則大部分被吸收，吸收系數(shù)為60～70％。

光致等離子體行為金屬汽化，形成匙孔金屬蒸汽以及保護(hù)氣體一部分起始自由電子被加速多次菲涅耳吸收和逆軔致吸收

逆軔致吸收光子能量

碰撞蒸汽粒子和保護(hù)氣體使其電離電子密度便雪崩式增長(zhǎng)形成致密等離子體

一、等離子體的形成

等離子體吸收的光能可通過(guò)以下不同渠道傳至工件：等離子體與工件接觸面的熱傳導(dǎo)等離子體輻射易為金屬材料吸收的短波場(chǎng)光波材料蒸汽在等離子體壓力下返回凝聚于工件表面。

如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成的工件接收光能的損失，則增強(qiáng)工件對(duì)激光能量的吸收。反之，減弱工件對(duì)激光的吸收。

二、激光維持吸收波

較強(qiáng)的激光束輻照于工件表面，使得金屬蒸汽或工件表面附近的環(huán)境氣體發(fā)生電離以致?lián)舸?，形成一個(gè)激光吸收區(qū)。

等離子體的一部分能量將以輻射方式耗散，被凝聚態(tài)材料或周圍氣體介質(zhì)所吸收。這種吸收激光的氣體或等離子體的傳播運(yùn)動(dòng)，通常稱為激光維持吸收波。

主要的激光吸收區(qū)最終是在環(huán)境氣體中形成。

激光沖擊波爆發(fā)波LSC陣面等離子體稀疏波稀疏波工件激光爆發(fā)波LSD陣面等離子體稀疏波稀疏波工件激光維持燃燒波（LSC)，前面沖擊波對(duì)激光透明，后面等離子體區(qū)是激光吸收區(qū)，亞音速傳播（幾十米每秒），依靠熱傳導(dǎo)、熱輻射和擴(kuò)散等輸云機(jī)制使其前方冷氣體加熱和電離，維持激光吸收波及其前方?jīng)_擊波的傳播，波后是等離子體區(qū)，其等離子體溫度為1～3eV。激光維持爆發(fā)波（LSD)，沖擊波陣面就是激光吸收區(qū)，被吸收的激光能量支持沖擊波前進(jìn)，LSD波相對(duì)于波前介質(zhì)超音速運(yùn)動(dòng)，其速度可達(dá)每秒幾千米至上百千米，等離子體溫度約為10eV至幾十電子伏。激光維持燃燒波激光維持爆發(fā)波激光維持燃燒波對(duì)焊縫成形的影響

三、等離子體的周期性等離子體噴發(fā)出匙孔形成羽狀等離子云

羽狀等離子云吸收光束能量

匙孔內(nèi)光束能量減少，等離子體的產(chǎn)生作用減弱，同時(shí)匙孔熔深減小羽狀等離子云逐漸消散

匙孔內(nèi)光束能量增加，等離子體的產(chǎn)生作用增加，同時(shí)匙孔熔深增大。

四、等離子體在能量傳輸中的作用

等離子體位于熔池上方的激光傳輸通道上，它對(duì)激光會(huì)產(chǎn)生反射、散射以及吸收，還會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生負(fù)透鏡效應(yīng)。1、致密的光致等離子體通過(guò)吸收和散射入射光，影響了激光的能量傳輸效率，大大減少了到達(dá)工件的激光能量密度，導(dǎo)致熔深變淺；

2、由于等離子體對(duì)入射激光的折射，使得激光通過(guò)等離子時(shí)波前發(fā)生畸變，改變了激光能量在工件上的作用區(qū)。激光束等離子體工件1、等離子體對(duì)激光的折射

等離子體的基本構(gòu)成是正離子、自由電子和中性原子，整體上呈電中性。等離子體振蕩是等離子體的最基本特點(diǎn)，其振蕩頻率為：

等離子體中電子密度，真空介電常數(shù)電子質(zhì)量，電子電量。當(dāng)角頻率為的激光在等離子體中傳播時(shí)，光速和波長(zhǎng)發(fā)生變化，而其角頻率不變，其頻率和波數(shù)滿足色散關(guān)系：

等離子體頻率；在等離子體中傳播的激光角頻率；波數(shù)()

真空中的傳播速度相應(yīng)電磁波可以在等離子體中傳播

相應(yīng)電磁波不能進(jìn)入等離子體中傳播

實(shí)驗(yàn)室及一般工業(yè)加工條件下，等離子體電子密度處于范圍，相應(yīng)的數(shù)量級(jí)處于Hz范圍，對(duì)于工業(yè)CO2激光，通常不會(huì)出現(xiàn)激光被等離子體全部反射的情況。激光在等離子體中傳播的色散關(guān)系也可用下式表示：

式中，為等離子體折射率?？梢?jiàn)，等離子體的折射率與等離子體的振蕩頻率有關(guān)，而等離子體的振蕩頻率是等離子體電子密度的函數(shù)。

由上式可知，可以傳播激光的等離子體總滿足，此時(shí)等離子體折射率小于1。所以激光束從空氣入射到等離子體中的過(guò)程，是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)的過(guò)程，折射結(jié)果使聚焦性變差，對(duì)光束起發(fā)散作用。激光從折射率大的區(qū)域向折射率小的區(qū)域傳播時(shí)，光束會(huì)發(fā)散，表現(xiàn)為負(fù)透鏡效應(yīng)。當(dāng)入射激光束穿過(guò)等離子體時(shí)將引起激光束傳播方向的改變，其偏轉(zhuǎn)角與等離子體的電子密度梯度和等離子體長(zhǎng)度有關(guān)，幾千瓦至十幾千瓦CO2激光誘導(dǎo)的等離子體對(duì)激光束的偏傳角為10-2rad數(shù)量級(jí)。2、等離子體對(duì)激光的吸收等離子體通過(guò)多重機(jī)制吸收激光能量，使溫度升高、電離度增大。

正常吸收逆韌致吸收，是指處在激光電場(chǎng)中的電子被激勵(lì)發(fā)生高頻振蕩，并且以一定概率與粒子（主要為離子）相互碰撞，把能量交給比較重的粒子（離子、原子），從而使等離子體升溫的過(guò)程。逆韌致吸收分為線性（電子速度分布為麥克斯韋分布）和非線性（電子速度分布函數(shù)與電場(chǎng)有關(guān)）兩類，非線性情況發(fā)生在極高激光電場(chǎng)場(chǎng)合。

反常吸收指通過(guò)多重非碰撞機(jī)制，使激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體波能的過(guò)程。這些波所攜帶的能量，通過(guò)各種耗散機(jī)制轉(zhuǎn)化為等離子熱能。等離子體對(duì)激光的吸收系數(shù)：

等離子體溫度平均電離電荷

庫(kù)侖對(duì)數(shù)的某種平均值

激光波長(zhǎng)一定時(shí)，吸收系數(shù)是、和的函數(shù)。而、僅與有關(guān)，故最終可通過(guò)測(cè)量等離子溫度來(lái)求得等離子體對(duì)激光的吸收系數(shù).

材料劇烈汽化膨脹產(chǎn)生的壓力將熔融金屬拋出，形成匙孔。

為形成匙孔，汽化壓強(qiáng)應(yīng)平衡表面張力、靜水壓力和液相材料拋出的流動(dòng)阻力?？椎灼瘔簭?qiáng)為：式中，為孔底處液－氣界面的表面張力，為孔底處的曲率半徑，為液體材料密度，為重力加速度，為孔深，為液體流動(dòng)阻力產(chǎn)生的壓力。匙孔效應(yīng)一、匙孔的形成

菲涅耳吸收是匙孔壁對(duì)激光的吸收機(jī)制，它描述激光在匙孔內(nèi)多重反射的吸收行為。

功率密度為的激光束在傾斜角為的匙孔壁上發(fā)生反射時(shí)，被匙孔壁吸收的功率密度為Iabs，則菲涅耳吸收可以用下式來(lái)表示

為菲涅耳吸收系數(shù)，如果認(rèn)為其只取決于匙孔壁的傾斜角，則有為常數(shù)

光致等離子體不僅存在于匙孔表面之上，而且也充滿匙孔。等離子體吸收能量，通過(guò)對(duì)流和輻射將能量傳給孔壁。由于等離子體吸收，穿過(guò)匙孔到達(dá)匙孔底部的激光功率密度下降。匙孔底部激光功率密度對(duì)產(chǎn)生一定的汽化壓強(qiáng)以維持一定深度的小孔至關(guān)重要，決定了加工過(guò)程的穿透深度。匙孔內(nèi)等離子體的吸收系數(shù)在1cm-1左右。若焊接試驗(yàn)在真空中進(jìn)行，則值顯著下降，約為0.5cm-1。2、等離子體吸收－逆韌致吸收LaserbeamPlasmaKeyholeVaporjetBeadBasematerialWeldingdirection激光能量反射等損失激光能量進(jìn)入小孔的激光能量等離子體吸收能量部分輻射到小孔等離子云逆韌致吸收光束多次反射小孔等離子體逆韌致吸收小孔壁Fresnel吸收光束多次反射小孔壁的Fresnel吸收材料對(duì)激光能量的吸收過(guò)程

三、焊接過(guò)程中的匙孔行為

焊接過(guò)程，匙孔壁始終處于高度波動(dòng)狀態(tài)，匙孔前壁較薄一層熔化金屬隨壁面波動(dòng)向下流動(dòng)，匙孔前壁上的任何凸起位置都會(huì)因受到高功率密度激光的輻照而強(qiáng)烈蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽向后噴射沖擊后壁的熔池金屬，引起熔池的振蕩，并影響凝固過(guò)程熔池中氣泡的溢出。激光束匙孔匙孔前壁匙孔后壁局部蒸發(fā)凸起噴射的金屬蒸汽液態(tài)熔池

在熔池中存在旋轉(zhuǎn)的渦流構(gòu)造，且能量較大，有強(qiáng)烈的攪拌力作用。熔池底部產(chǎn)生的較大氣泡并非完全依靠上浮力排除熔池，而是靠金屬的流動(dòng)帶出熔池。

熔池匙孔鎢顆粒激光束

匙孔中的蒸氣由高溫金屬蒸氣和匙孔脈動(dòng)吸入的保護(hù)氣體組成，被部分電離后形成帶電等離子體。匙孔波動(dòng)的主要原因：出自匙孔的蒸汽流速很快，接近聲速，因此可以聽(tīng)到混亂的噪聲。頸口處的高速流動(dòng)的蒸汽會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低氣壓區(qū)，促使頸口關(guān)閉，這是匙孔波動(dòng)的原因之一。匙孔內(nèi)金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，甚至形成噴射，這種無(wú)規(guī)律的蒸發(fā)引起了液態(tài)金屬的快速抖動(dòng)，也會(huì)造成匙孔的波動(dòng)。X射線拍攝到的匙孔波動(dòng)形態(tài)

激光焊接的應(yīng)用潛力如何？

熱導(dǎo)焊接深熔焊接熱導(dǎo)焊焊縫深熔焊焊縫

激光焊接基本原理激光深熔焊幾何特征1激光束2焊接熔池3匙孔4焊縫寬度5熔池深度激光深熔焊匙孔內(nèi)液體金屬的流動(dòng)1激光束2匙孔后部流動(dòng)區(qū)3匙孔內(nèi)流動(dòng)區(qū)

匙孔內(nèi)激光的吸收過(guò)程1激光束2等離子體3熔池后部熔化區(qū)4焊件運(yùn)動(dòng)方向

等離子體特征等離子體對(duì)激光能量具有屏蔽作用(吸收、折射），減少激光入射到工件表面的能量密度。等離子體呈周期性振蕩。金屬等離子體激光維持燃燒波等離子體的抑制方法1、激光擺動(dòng)法：激光加工頭沿焊接方向來(lái)回?cái)[動(dòng)，在匙孔出現(xiàn)后等離子體形成以前，將光斑瞬時(shí)移至熔池的后緣；2、脈沖激光焊接法：調(diào)整激光的脈沖和頻率，使激光的輻照時(shí)間小于等離子體的形成時(shí)間；3、低氣壓焊接：采用減壓焊接，當(dāng)氣壓低于某一程度時(shí)，材料表面及匙孔內(nèi)金屬蒸氣密度較小，等離子體減弱；4、側(cè)吹輔助氣體：一種是采用輔助氣體吹散等離子體；另一種是用導(dǎo)熱性好、電離能高的氣體抑制環(huán)境氣體的電離和壓縮金屬離子蒸氣。熔池、匙孔特征焊接過(guò)程中匙孔的不穩(wěn)定性主要是匙孔前壁局部金屬的蒸發(fā)造成的。氣孔的形成：1）局部蒸發(fā)引起保護(hù)氣的侵入；2）合金元素的燒損；3）激光焊接鋁及合金時(shí)，在冷卻過(guò)程中由于氫在鋁中的溶解度急劇下降會(huì)形成氫氣孔。匙孔特征激光匙孔熔池

若假設(shè)匙孔為圓錐面，錐角Ф。沿圓錐軸線入射的光束經(jīng)錐面反射直向尖頂并退回，總共反射次。每反射一次，吸收約13％（CO2激光對(duì)鐵）。設(shè)，則在18次反射過(guò)程中總吸收率達(dá)92％。激光深熔焊的特點(diǎn)（1）能量密度高、焊接變形小、熱影響區(qū)小、是精密焊接方法；（2）焊接能量可精確控制，對(duì)不同材料、結(jié)構(gòu)具有較高的適應(yīng)性；（3）光束很容易傳輸?shù)饺魏挝恢?，自?dòng)化很容易實(shí)現(xiàn)；（4）同電子束焊接相比，不需要真空環(huán)境、不存在X-射線污染；（5）深熔焊接的焊縫深寬比可達(dá)121；（6）焊接時(shí)，要求裝配精度高；大功率焊接時(shí)，等離子體密度高，對(duì)激光能量的損耗大。二、激光焊接的主要影響因素光束特性能量，脈沖或連續(xù)光斑尺寸和模式偏振波長(zhǎng)焊接特性焊接速度聚焦位置接頭幾何尺寸間隙保護(hù)氣成份保護(hù)方式壓力、流速材料特性成份表面狀態(tài)激光能量斑點(diǎn)尺寸光束模式偏振波長(zhǎng)保護(hù)氣成份保護(hù)方式流速接頭形式幾何尺寸間隙表面狀況材料成份焊接速度聚焦位置—

激光功率：通常用于焊接的激光功率等級(jí)為3kW；

—

輸出形式：連續(xù)、脈沖、波形控制；

—

焊接速度：激光焊接的經(jīng)濟(jì)性要求焊接速度較高（2m/min）；

—

材料特性：材料對(duì)激光的吸收率、表面狀態(tài)等；

—

保護(hù)氣體種類和形式：主要考慮對(duì)焊縫區(qū)的保護(hù)、等離子體產(chǎn)生的閾值高；

—

離焦量：影響激光焊接熔深的主要參數(shù)；

—

接頭形式：對(duì)接、搭接、角接等；

—

工件間隙：一般不允許有間隙（0.1mm）；

—

填充材料：一般不采用填絲方式，超大功率、特殊情況下采用

激光焊接的接頭設(shè)計(jì)

三、激光焊接的主要缺陷合金元素的揮發(fā)焊接過(guò)程中一些高揮發(fā)性的合金元素(如硫和磷)從熔池中揮發(fā)出來(lái)，會(huì)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，而且有很可能產(chǎn)生咬邊。冷卻速度非?？觳牧系暮剂砍蔀橐粋€(gè)非常重要的影響參數(shù)，對(duì)材料的脆化、微裂紋及疲勞強(qiáng)度都會(huì)有影響。碳鋼

采用激光焊接時(shí)，材料的含碳量(碳當(dāng)量)不應(yīng)高于0.2%。碳當(dāng)量超過(guò)0.3%焊接難度增加，冷裂紋傾向加大，增加材料在疲勞和低溫條件下的脆斷傾向。

激光焊接性能較好，因?yàn)椴牧显跐沧⑶凹尤肓虽X、硅等脫氧劑，使得鋼中含氧量降到很低程度。如果鋼沒(méi)有脫氧(如沸騰鋼)，不能用激光進(jìn)行焊接，否則氣體逸出過(guò)程中形成的氣泡很容易導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼

含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的鋼激光焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

硫、磷含量

激光焊接性能一般都較好，奧氏體不銹鋼由于加入硫和硒等元素以提高機(jī)械性能，凝固裂紋的傾向有所增加。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)只有碳鋼的1/3，吸收率比碳鋼略高，焊接熔深約普通碳鋼深5~10%左右激光焊接奧氏體不銹鋼的熱變形和殘余應(yīng)力相對(duì)較小，采用其它常規(guī)焊接方法時(shí)，奧氏體不銹鋼會(huì)產(chǎn)生比碳鋼大50%的熱膨脹量。奧氏體不銹鋼不銹鋼

熔化焊過(guò)程中馬氏體的相變和晶粒的粗化，接頭強(qiáng)度和抗腐蝕性降低，相對(duì)而言，激光焊比常規(guī)焊的影響要低。韌性和延展性比其它焊接方法高。與奧氏體和馬氏體不銹鋼相比，用激光焊接鐵素體不銹鋼產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋的傾向最小。鐵素體不銹鋼

不銹鋼中，馬氏體不銹鋼的焊接性最差，焊接接頭通常硬而脆，并伴有冷裂傾向。焊接含碳量大于0.1%的不銹鋼時(shí)，預(yù)熱和回火可以降低裂紋和脆裂的傾向。馬氏體不銹鋼高反射率金屬－鋁

鋁合金的激光焊接需要相對(duì)較高的能量密度：鋁合金反射率較高；鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)很高。許多鋁合金中含有易揮發(fā)的元素，如硅、鎂等，焊縫中存在較多氣孔。液態(tài)鋁的粘度較低，表面張力也很低，因此焊接鋁時(shí)必須要密切注意焊接熔池，以防止熔池中液態(tài)鋁的溢出，可通過(guò)接頭設(shè)計(jì)或采取不熔透方法來(lái)解決。激光焊接鋁的問(wèn)題：氣孔、熱裂紋和焊縫不規(guī)則性。鈦及鈦合金

激光焊可獲高質(zhì)量、塑性好的焊接接頭。鈦對(duì)由氧氣、氫氣、氮?dú)夂吞荚铀鸬拈g隙脆化很敏感，特別注意接頭的清潔和氣體保護(hù)問(wèn)題。鈦從250℃開(kāi)始吸收氫，從400℃開(kāi)始吸收氧，從600℃開(kāi)始吸收氮。對(duì)熱裂紋不敏感，焊接時(shí)會(huì)在接頭的熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，氫是主要原因。

氣孔是鈦及鈦合金焊接時(shí)一個(gè)主要的問(wèn)題。消除氣孔的主要途徑：a)用高純度的氬氣進(jìn)行焊接，純度高于99.9%；b)焊前清洗；c)合適焊接規(guī)范。鈦合金表面氧化

V=0.8m/min,P=1000WV=1.2m/min,P=1000WV=1.6m/min,P=1000WV=2.0m/min,P=1000WV=2.4m/min,P=1000WV=2.8m/min,P=1000W

鈦合金極易吸收空氣中的氧和氮，處于高溫時(shí)間越長(zhǎng)，表面氧化越嚴(yán)重。激光焊接應(yīng)用存在問(wèn)題及解決的途徑要求工件裝配精密、對(duì)中嚴(yán)格高反射材料（鋁合金）焊接過(guò)程不穩(wěn)定、焊縫成型差激光焊接等離子體對(duì)光反射、吸收，降低能量利用率大功率激光設(shè)備價(jià)格隨功率等級(jí)提高呈指數(shù)增加開(kāi)發(fā)新型激光器、提高功率、改善光束質(zhì)量改變材料表面狀態(tài)選擇保護(hù)氣體、控制能量輸出形式激光焊接新工藝：雙光束、填絲激光焊接、激光-電弧復(fù)合熱源焊接等一、開(kāi)發(fā)新型激光器

主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)。激光器中光纖纖芯很細(xì)，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩。主要特點(diǎn)：(1)用摻雜離子的光纖作為工作物質(zhì)(2)用光纖光柵代替光學(xué)鏡片構(gòu)成光學(xué)諧振腔(3)波長(zhǎng)1~1.1um(4)光束質(zhì)量很好；(5)體積非常小。光纖激光器

光纖激光器的最大特點(diǎn)就是一根光纖穿到底，整臺(tái)機(jī)器高度實(shí)現(xiàn)光纖一體化。

包層泵浦，利用具有兩個(gè)同心纖芯的特種摻雜光纖。一個(gè)纖芯和傳統(tǒng)的單模光纖纖芯相似，專用于傳輸信號(hào)光，并實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的單模放大。大的纖芯則用于傳輸不同模式的多模泵浦光。使用多個(gè)多模激光二極管同時(shí)耦合至包層光纖上，當(dāng)泵浦光每次橫穿過(guò)單模光纖纖芯時(shí)，就會(huì)將纖芯中稀土元素的原子泵浦到上能級(jí)，然后通過(guò)躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射光，通過(guò)在光纖內(nèi)設(shè)置的光纖光柵的選頻作用，特定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光可被振蕩放大而最后產(chǎn)生激光輸出。工作原理纖芯外包層內(nèi)包層保護(hù)層圖1雙包層光纖及工作原理(a)(b)激光輸出內(nèi)包層外包層纖芯多模泵浦光纖激光器光纖激光器的應(yīng)用6千瓦的光纖激光器用于焊接汽車零件，用于汽車零件的鋼、鋁合金的焊接和切割。切割和焊接速度比YAG激光器更快。光纖激光器的應(yīng)用連續(xù)光纖激光器彎曲不銹鋼，陶瓷或半導(dǎo)體在毫秒級(jí)內(nèi)產(chǎn)生微弧度彎曲精度。激光精密成形二極管泵浦圓盤激光器

燈激發(fā)和二極管激發(fā)的棒式激光器存在激光束功率引起的熱鏡頭問(wèn)題，而盤式激光器實(shí)際上不再有熱鏡頭問(wèn)題。由于盤式激光器具有與CO2激光束類似的優(yōu)質(zhì)光束，通過(guò)光纖耦合的方法可以標(biāo)定改變其功率，這比棒式激光器標(biāo)定的功率要大許多倍。

空氣刀聚焦點(diǎn)聚焦點(diǎn)空氣刀反射鏡聚焦光纖聚焦二、保護(hù)氣體的選擇保護(hù)氣體對(duì)焊接過(guò)程的影響氣體種類CO2激光焊抑制等離子體能力(電離能)抗氧化能力相對(duì)價(jià)格典型流量焊縫成形局限性氦氣非常好(24.5eV)好高20~30l/min最深無(wú)氬氣較差(15.7eV)非常好適中30~45l/min寬電離能低，噴嘴設(shè)計(jì)及流速很關(guān)鍵氮?dú)?無(wú)氧)較差(15.5eV)好低30~45l/min較深電離能低，某些鋼產(chǎn)生脆化二氧化碳較差(14.4eV)差最低30~45l/min正常不適應(yīng)活性金屬(Ti,Cr-Ni鋼)，焊縫表面有輕微氧化20％氦＋氬好非常好適中25~35l/min正常為提高等離子體抑制效果，含氦量需達(dá)到50％不同保護(hù)氣下等離子體形態(tài)氬氣1400w1600w1900w氦氣1800w1400w2200w不同保護(hù)氣體的等離子體的形態(tài)明顯不同，氦氣的等離子體很小。三、能量輸出控制3高碳鋼，裂紋敏感材料及異種材料高反射材料如銅合金，銀合金以及一些鋁合金表面雜質(zhì)含量較多的材料表面金屬易揮發(fā)的材料，如鍍鋅板尖峰脈沖激光焊

脈沖前一段用來(lái)熔化金屬，脈沖尖峰對(duì)熔化金屬施加一個(gè)爆破力，使上下兩塊板熔合在一起。通常脈沖持續(xù)時(shí)間為15－20ms,脈沖尖峰時(shí)間為幾個(gè)微秒。這種脈沖形狀可以焊接間隙與薄板厚度相同的工件。這種方法對(duì)裝配精度要求不大。

用于薄板搭接焊

焊接多層薄板。間隙大小與薄板厚度相同。激光—TIG電弧復(fù)合鋁合金加涂層激光焊

鋁合金表面涂硅粉后，焊縫熔深熔寬增大，焊接過(guò)程穩(wěn)定。2mmLF21鋁合金3kWNd:YAG激光涂層：硅粉

涂硅粉無(wú)涂層四、改善表面狀態(tài)激光—TIG電弧復(fù)合涂料吸收率涂層厚度(mm)磷酸鹽>0.900.25氧化鋯0.90－氧化鈦0.890.20碳黑0.790.17石墨0.630.15不同涂層的吸收率五、激光填絲填粉焊

可用于熱輸入要求較低的焊接過(guò)程，如薄件焊接、熱敏感材料焊接、或低變形焊接等?？捎糜诖笃驴诤缚p；調(diào)節(jié)焊縫化學(xué)成分以及厚板的多道焊。激光填絲焊激光填絲焊焊接低碳鋼零件

1、解決了對(duì)工件裝夾、拼裝要求嚴(yán)的問(wèn)題。

2、用較小功率激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)厚板窄焊道的多層焊。

3、通過(guò)調(diào)節(jié)焊絲成分，改善焊縫區(qū)組織性能，對(duì)裂紋等缺陷更易控制，利于異種材料及脆性材料的焊接。激光填絲焊焊接鋁合金激光填絲焊的熔化機(jī)制

能量分配：熔化焊絲＋填充金屬汽化＋焊絲表面反射＋穿透焊絲在焊絲的端部，固態(tài)焊絲和熔滴均可反射激光束，熔滴的反射約占總焊絲反射的70％左右。

不同送絲方向下焊絲的熔化特性

激光束等離子體保護(hù)氣體熔池焊絲母材焊縫激光束焊絲熔池焊縫母材鋁合金激光填絲焊技術(shù)W=0.2mmW=0.4mmW=0.6mm不同間隙下的激光填絲焊焊縫截面3mmLF6鋁合金對(duì)接，焊絲直徑1mm.激光自熔焊激光填絲焊

采用填絲技術(shù)改善焊縫成形、提高焊接穩(wěn)定性與適應(yīng)性。

光斑直徑小(0.15mm)，對(duì)送絲精度要求較高。送絲位置合適送絲位置偏離激光填絲焊焊接大厚板4°20窄間隙激光填絲焊

12mm厚鋼板激光填絲焊25mm厚鋼板激光填絲焊三層34mm厚鋼板激光填絲焊四層激光填絲焊焊接大厚板激光填粉焊

激光填粉焊工藝要求更寬松；填充粉末比填充焊絲更易配制；在焊接不連續(xù)焊縫時(shí)，激光填粉焊具有更高的可靠性。

送粉結(jié)構(gòu)比送絲機(jī)構(gòu)復(fù)雜；不易精確控制送入位置；對(duì)復(fù)雜工件與工件的復(fù)雜工位的焊接有一定限制；焊縫的冶金質(zhì)量較激光填絲焊差。

同軸送粉側(cè)向送粉

3KWCO2激光填粉焊焊接速度：1150~1250mm/min焊縫間隙：0.4~1mm送粉速度：33~53g/min3mm低碳鋼板激光填粉焊，焊縫寬度：0.8mm粉末：316不銹鋼粉激光填粉焊

串列雙光束：改善表面成型，減小飛濺、縮孔及咬邊等缺陷。降低冷卻速度，改善接頭組織性能。并列雙光束：降低對(duì)間隙、對(duì)中、錯(cuò)邊的敏感度，適合不等厚度焊接。六、雙束激光焊接CO2激光單束光分光形成雙光束雙光束的分光方式Y(jié)AG激光的兩束光合成雙光束第一種機(jī)制：一束光進(jìn)行深熔焊接，另一束光散焦或功率較小，作為熱處理熱源。焊接裂紋敏感性材料，如高碳鋼，合金鋼等，可提高焊縫的韌性。第二種機(jī)制：兩束光在同一熔池內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的匙孔，改變?nèi)鄢亓鲃?dòng)方式，防止咬邊、焊道凸起等缺陷的產(chǎn)生，改善焊縫成形。第三種機(jī)制：兩束光在熔池中產(chǎn)生一個(gè)共同的匙孔，匙孔尺寸變大，不易閉合，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，氣體更易排出。

不同光束間距下匙孔及頂部熔池形態(tài)

不同參數(shù)下的匙孔形態(tài)

a)串行db=0.6mmb)串行db=2.0mmc)并行db=2.0mmd)單光束激光—TIG電弧復(fù)合鋁合金的雙光束激光焊接焊縫成形

總功率相同時(shí)，雙光束焊接焊縫表面成形優(yōu)于單光束，焊接熔深沒(méi)有明顯增大。單光束串行，L=0.6mm并行，L=0.6mmP=2200W鋁合金的雙光束激光焊接雙光束填絲焊P=1300WVL=1.3m/minP=1400WVL=1.9m/minP=1600WVL=3.0m/min焊縫余高0.41mm背面下塌0.31mm焊縫余高0.46mm背面下塌0.18mm焊縫余高0.27mm背面下塌0.18mm焊縫表面質(zhì)量滿足激光焊接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單光束激光焊:全熔透對(duì)接

5083鋁合金,3mm單光束激光焊:全熔透對(duì)接

1045鋁,6.35mm雙光束激光焊:全熔透對(duì)接

5083鋁合金,3mm雙光束激光焊:全熔透對(duì)接

1045鋁,6.35mm雙光束焊接鋁合金雙光束焊接鋁合金

德國(guó)軍用飛機(jī)EADS進(jìn)氣管原采用厚壁材料(AA2195Al-Li合金)機(jī)械加工而成，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)改為蒙皮骨架結(jié)構(gòu)形式，由三個(gè)半圓型殼體組裝而成。進(jìn)氣管置于機(jī)身中部，周圍充滿燃料，因此對(duì)焊接可靠性要求很高。采用兩個(gè)4KwYAG激光器與6軸機(jī)器人進(jìn)行T型接頭焊接，并進(jìn)行了雙光束焊接試驗(yàn)有效抑制氣孔。

雙光束焊接碳鋼碳鋼對(duì)接接頭焊縫(A單光束，B雙光束)

材料含碳量為0.45%，兩光束間距為10mm。兩光束分為主光束和次級(jí)光束，主光束提供焊接所需能量，次級(jí)光束作為熱處理熱源。雙光束激光焊接能夠有效降低焊縫硬度，雙光束條件下熔池冷卻速度普遍下降，雙光束焊接等離子體形態(tài)單光束焊接中碳鋼雙光束焊接中碳鋼

雙光束等離子體非常穩(wěn)定,暗示著匙孔一直處于開(kāi)放狀態(tài)，從而使得等離子體從匙孔中不斷地逸出，匙孔內(nèi)等離子體的壓力值始終保持在一個(gè)較低的水平。因此不會(huì)出現(xiàn)劇烈的等離子體從匙孔內(nèi)爆發(fā)而出的現(xiàn)象，焊接過(guò)程中飛濺較少，焊縫光滑。雙光束焊接拼板拼焊板(tailor-weldedblanks.TWBS)技術(shù)是指將兩塊或兩塊以上的板料,采用焊接方法焊在一起,然后進(jìn)行沖壓成形。這些板料,可以具有不同厚度、性能、材質(zhì)和表面涂層。

20世紀(jì)60年代日本本田汽車公司首先采用了這項(xiàng)技術(shù);1985年德國(guó)蒂森鋼鐵公司生產(chǎn)出第一批寬幅拼焊板,并成功地用于Audi100車底板;1988年3月保時(shí)捷工程公司生產(chǎn)出第一輛樣車,在這個(gè)樣車上共采用了16個(gè)拼焊板沖壓件,車身零件數(shù)量約減少20%,質(zhì)量減輕25%。目前,由拼焊板生產(chǎn)的汽車零部件主要有位于車門兩側(cè)的前柱、中柱、后立柱,車門內(nèi)板、梁、地板、輪罩、內(nèi)后擋板、橫梁緩沖器等。雙光束拼焊采用拼焊板的優(yōu)勢(shì):(1)滿足零件各部位對(duì)材質(zhì)、厚度、涂層、性能等不同的要求;(2)降低車身質(zhì)量,從而提供低燃耗、性能優(yōu)良、安全的環(huán)保汽車;(3)提高車輛結(jié)構(gòu)整體性,提高整體剛度,改善裝配精度;(4)減少模具數(shù)目、降低材料消耗。拼焊板材料：

拼焊板材料主要有鋼板、鋁合金板、夾層板(鋼或鋁)、鎂合金板等。從減輕中型轎車車身質(zhì)量方面考慮，高強(qiáng)度鋼板、復(fù)合材料、鋁合金的使用及其拼焊板技術(shù)是趨勢(shì)所在。但是高強(qiáng)度板、鋁合金拼焊板的焊接性和沖壓成形性則更具挑戰(zhàn)性。為了減輕質(zhì)量,鎂合金也有很好的發(fā)展前途。如果材料的焊接問(wèn)題得到解決,異種材料拼焊板也會(huì)興起,如普通鋼與不銹鋼、鋼與鋁、鎂與鋁板組成的拼焊板。雙光束焊接不等厚板焊頭角度θ旋轉(zhuǎn)角度φ焊偏量間隙v厚板薄板

兩束光的功率可根據(jù)焊接目的分別進(jìn)行調(diào)整。若兩塊板的厚度比較大，可采用正的焊頭角度，即激光向薄板傾斜；板厚度比較小時(shí)，可采用負(fù)的焊頭角度。通過(guò)調(diào)節(jié)焊偏量可以減少焊縫凹陷量，獲得好的焊縫橫截面。雙光束焊接的有效光束直徑有效光束直徑1mm1mm1mm

并行雙光束45°雙光束單光束

有效光束尺寸直接決定了焊縫表面寬度的大小，有效光束尺寸越大，焊縫上下表面越寬。

雙光束焊接對(duì)間隙的填充能力間隙填充簡(jiǎn)化模型

假定厚板邊緣上的金屬熔化來(lái)填充縫隙，該邊緣的形狀大致呈三角形，熔化金屬的范圍由激光束尺寸決定，即僅僅在光束照射下的材料才熔化。

通常情況下，在采用單激光束焊接時(shí)，對(duì)接接頭兩工件間隙量應(yīng)小于板厚度10%.雙光束焊接不等厚板的最大間隙量可提高到板厚的20%左右.凹陷率的控制方法根據(jù)ISO13919-2焊接標(biāo)準(zhǔn)，焊縫表面凹陷率不能超過(guò)15%。

45°雙光束并行雙光束焊縫表面凹陷率隨間隙量的增大而增加，對(duì)應(yīng)不同間隙量，隨有效光束尺寸增大，焊縫表面凹陷率下降，焊縫質(zhì)量提高。凹陷率的控制方法

采用+45°旋轉(zhuǎn)有利于提高間隙填充能力，降低焊縫表面凹陷率，提高焊縫質(zhì)量。

正光束旋轉(zhuǎn)角度：前束光入射到厚板上并加熱使其熔化，后面光束隨后產(chǎn)生穿透。負(fù)光束旋轉(zhuǎn)角度：前面光束產(chǎn)生穿透，后面光束隨后熔化厚板填充間隙，前光束的預(yù)熱作用有利于后束光熔化更多厚板材料，間隙填充能力增強(qiáng)。凹陷率的控制方法

采用-6°入射雙光束都有利于提高間隙填充能力，降低焊縫表面凹陷率，提高焊縫質(zhì)量。

光束+6°入射：焊透薄板并熔化掉厚板側(cè)面附近一定量金屬來(lái)填充間隙，板材金屬熔化量相對(duì)較小，間隙填充能力相對(duì)較低；光束在-6°入射：更多的厚板金屬被熔化去填充間隙，薄板邊緣板材同時(shí)熔化，用于填充間隙的熔化板材金屬量相對(duì)較大，因此其間隙填充能力得到加強(qiáng)。材料：不銹鋼板厚:0.75,2.0mm功率：2×3000W速度:8.0m/min焊縫：0.3mm雙光束焊接不等厚板雙光束焊接大厚板10kW光束與一個(gè)6kW光束焊接20mm厚不銹鋼板，0.8m/min

采用雙光束激光焊接技術(shù)不僅可以提高激光功率，而且還可以提高有效光束加熱直徑，增加熔化填充焊絲的能力，同時(shí)能穩(wěn)定激光匙孔，提高焊接穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量。雙光束焊接鍍鋅板采用CO2激光進(jìn)行焊接，YAG激光在CO2激光前側(cè)，用來(lái)打孔和切槽使用，給隨后焊接時(shí)產(chǎn)生的鋅蒸汽提供逸出的通道，防止其滯留在熔池內(nèi)形成缺陷。七、激光－電弧復(fù)合熱源焊接激光與電弧相互作用吸引和壓縮電弧、提高電流密度，提高焊接熔深。較低功率激光復(fù)合一定電流的電弧可獲得高功率等級(jí)激光的焊接熔深。激光-電弧復(fù)合熱源焊接有利于降低對(duì)間隙、對(duì)中、錯(cuò)邊的敏感性。交流TIG電弧—激光焊接鋁合金有利于氧化膜破碎、小孔形成及穩(wěn)定、改善成型、降低氣孔數(shù)量。電弧的輔助加熱，可提高激光焊接速度；激光引導(dǎo)電弧，可實(shí)現(xiàn)高速TIG焊接。提高熔深低成本高適應(yīng)性高效率激光－電弧復(fù)合熱源焊接特點(diǎn)

激光－TIG旁軸復(fù)合激光－MIG旁軸復(fù)合Electrode1、激光與電弧的旁軸復(fù)合激光－TIG激光－MIG旁軸復(fù)合電弧

焊槍姿態(tài)對(duì)焊接效果影響較大，焊接參數(shù)調(diào)整相對(duì)容易，有焊接方向性限制。旁軸復(fù)合焊縫激光與電弧的復(fù)合方式

激光－TIG同軸復(fù)合

電弧對(duì)激光激光能量的吸收較小，無(wú)方向性限制。但空芯鎢極燒損嚴(yán)重、焊接參數(shù)不易調(diào)節(jié)。ShieldgasforlaserShieldgasforarcLaserbeamHollowelectrodeArcWorkpiece同軸復(fù)合電弧同軸復(fù)合焊縫2、激光與電弧的同軸復(fù)合激光－TIG同軸復(fù)合electrodearclaserbeam

雙束激光與TIG同軸復(fù)合多電極TIG與激光同軸復(fù)合laserbeam1lensarclaserbeam2激光－等離子弧同軸復(fù)合加熱區(qū)更窄，對(duì)外界敏感更小，引燃性好。密度更大，弧長(zhǎng)更長(zhǎng)。可旁軸復(fù)合，也可同軸復(fù)合。適合薄板對(duì)接、高速焊、鍍鋅板、鋁合金焊接。環(huán)狀電極同軸復(fù)合LaserbeamPlasmatorchPlasmaarcWorkpieceLaserbeamPlasmatorchPlasmaarcWorkpiece空心電極同軸復(fù)合3、激光－電弧復(fù)合槍CO2激光用的重型焊接頭

Nd:YAG激光用的超細(xì)焊接頭4、激光－雙電弧復(fù)合

能量輸入比普通激光－MIG復(fù)合減少，熔深增大。焊接速度更高，焊接過(guò)程更穩(wěn)定。相互之間位置的排布非常重要。尤其適合焊接厚板。激光－雙MIG復(fù)合

焊接速度比一般的激光－MIG復(fù)合熱源提高33％，比埋弧焊提高800％。單位長(zhǎng)度的能量輸入比普通的激光－MIG復(fù)合熱源減少25％，比埋弧焊減少83％，且焊接過(guò)程非常穩(wěn)定，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通激光－MIG復(fù)合熱源的焊接能力。

1、復(fù)合電弧形態(tài)與電流密度分布純電弧復(fù)合電弧激光對(duì)電弧的吸引與壓縮吸收激光能量后電弧的膨脹

激光形成的匙孔對(duì)電弧有明顯的壓縮與吸引作用,穩(wěn)定焊接過(guò)程,顯著提高能量密度.

大電流電弧嚴(yán)重吸收激光能量，難以維持匙孔,導(dǎo)致電弧膨脹，能量密度急劇下降.激光－TIG電弧復(fù)合熱源焊接

純電弧電流密度復(fù)合電弧電流密度電流密度分布特征

在激光的壓縮作用下，復(fù)合電弧的電流密度比普通電弧提高１0～20倍.但只是在一定能量匹配條件下的有限增強(qiáng).

通過(guò)圖像處理技術(shù)精確提取弧根尺寸，計(jì)算復(fù)合電弧作用于工件表面的能量密度。

2、激光穿過(guò)等離子體的吸收、折射行為檢測(cè)原理銅板有機(jī)玻璃激光

電極有機(jī)玻璃燒蝕情況

通過(guò)有機(jī)玻璃的燒蝕深度與寬度定量分析電弧對(duì)激光的吸收與折射規(guī)律。

電弧電流越大，激光穿過(guò)電弧等離子體后的能量損失越多。I=0AI=80AI=150AI=200A

I=80AI=120AI=160AI=200AI=240A

I=50AI=130A復(fù)合熱源焊接熔池溫度場(chǎng)

由于電弧等離子體對(duì)激光能量的影響，復(fù)合焊接隨電流變化表現(xiàn)為深熔焊、熱導(dǎo)焊兩種傳熱特性。獲得實(shí)現(xiàn)“能量增強(qiáng)效應(yīng)”的熱源匹配原則。3、復(fù)合熱源的焊接溫度場(chǎng)分布純電弧壓縮電弧膨脹電弧I=190A復(fù)合焊接能量增強(qiáng)的臨界條件深熔焊熱導(dǎo)焊

不同焊接方法的熔合區(qū)、匙孔及焊縫形態(tài)電弧焊激光焊復(fù)合焊

復(fù)合熱源焊接時(shí)熔池中匙孔直徑與深度增大，焊接穩(wěn)定性增強(qiáng)、效率提高。

電弧焊激光焊復(fù)合焊

復(fù)合焊接熔池尺寸隨電流的變化焊接熔深焊接熔寬

4、電弧形態(tài)的視覺(jué)傳感與特征信息提取電弧圖像視覺(jué)傳感與圖像處理系統(tǒng)5mm6.35mm050A70A90A110A130A電極高度激光作用點(diǎn)電弧拐點(diǎn)的變化規(guī)律電弧膨脹過(guò)程根部尺寸變化

采用小波技術(shù)進(jìn)行電弧邊緣信息的精確提取，對(duì)復(fù)合電弧復(fù)雜變化特征進(jìn)行計(jì)算分析。

5、不同電弧形態(tài)下的熔深特征分析

CO2激光－TIG電弧旁軸復(fù)合CO2激光－TIG電弧同軸復(fù)合

YAG激光－TIG電弧旁軸復(fù)合

受電弧形態(tài)影響，隨焊接電流增大，焊接熔深只能有限增加。4mm低碳鋼板

激光維持燃燒波的出現(xiàn)大大降低能量密度，對(duì)電弧形態(tài)與焊接形貌有嚴(yán)重影響。穩(wěn)定的復(fù)合電弧與激光等離子體激光維持燃燒波對(duì)復(fù)合電弧與等離子體的影響穩(wěn)定復(fù)合焊接焊縫形貌復(fù)合焊接激光焊復(fù)合焊接激光焊不穩(wěn)定復(fù)合焊接焊縫形貌不穩(wěn)定焊接過(guò)程穩(wěn)定焊接過(guò)程

相位對(duì)焊縫成形的影響激光、電弧能量的脈沖波形控制連續(xù)焊接脈沖協(xié)調(diào)控制脈沖協(xié)調(diào)控制焊縫

通過(guò)控制兩種熱源的作用頻率與相位差有效抑制等離子體的影響，實(shí)現(xiàn)激光－TIG復(fù)合熱源的穩(wěn)定焊接。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。激光-TIG復(fù)合焊接的脈沖協(xié)調(diào)控制技術(shù)

6、激光－TIG復(fù)合熱源焊接性能激光焊激光—TIG復(fù)合焊TIG焊0mm間隙0.2mm間隙0.4mm間隙激光－TIG復(fù)合焊接對(duì)間隙的適應(yīng)性(2mm板厚，800W,100A,1m/min)0.25mm間隙對(duì)接（2mm板厚，1200W,120A,1.5m/min）

薄壁件采用激光－TIG復(fù)合焊接可以獲得較高的焊接穩(wěn)定性與適應(yīng)性。2mm不銹鋼，允許最大焊接間隙0.4mm。間隙適應(yīng)性╳╳

2mm不銹鋼，允許最大對(duì)中偏離0.5mm。激光焊接（2mm板厚，800W,1m/min）偏0.2mm偏0.4mm激光－TIG復(fù)合焊接（2mm板厚，800W,100A,1m/min）對(duì)中

對(duì)中偏0.5mm偏1mm對(duì)中適應(yīng)性激光焊激光－TIG復(fù)合焊TIG焊2mm板厚，1400W，150A，3.5m/min╳╳╳╳錯(cuò)邊適應(yīng)性Nd:YAG激光焊激光—TIG復(fù)合焊接激光—TIG復(fù)合熱源填絲焊激光－MIG復(fù)合熱源焊接利用填絲提高熔深、改善焊縫成型和接頭性能。對(duì)間隙、錯(cuò)邊、對(duì)中的適應(yīng)性更好，可焊接厚板。適合焊接鋁合金、鎂合金、銅合金材料

非穩(wěn)定短路過(guò)渡穩(wěn)定短路過(guò)渡4mm非穩(wěn)定熔滴過(guò)渡的焊縫形貌穩(wěn)定熔滴過(guò)渡的焊縫形貌

激光的加入改變了原有的穩(wěn)定焊接區(qū)間范圍與熔滴過(guò)渡頻率；增大保護(hù)氣體壓力，有利于穩(wěn)定熔滴過(guò)渡，提高能量的利用率。

等離子體多穩(wěn)定復(fù)合焊接電弧不穩(wěn)熔滴穩(wěn)定過(guò)渡區(qū)間1、激光-MIG復(fù)合焊接的熔滴過(guò)渡控制技術(shù)

2、激光－MIG復(fù)合熱源焊接性能MIG焊激光－MIG復(fù)合焊2mm間隙,4mm鋁合金,1200W,150A,1m/min)MIG焊激光－MIG復(fù)合焊2mm間隙,10mm鋁合金,2000W,280A,0.8m/min)坡口角度間隙10?坡口20?坡口30?坡口激光－MIG復(fù)合焊

（10mm鋁合金,2000W,280A,1m/min)

中厚構(gòu)件采用激光－MIG復(fù)合焊接可以獲得較高的焊接穩(wěn)定性與焊接效率。╳

電弧焊、激光焊、復(fù)合熱源焊接比較結(jié)果搭接接頭的復(fù)合熱源焊接汽車框架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了間隙