激光焊接技術(shù)

第一節(jié)激光焊特點、激光的產(chǎn)生與激光束一、激光焊特點及分類特點：1、能量集中(106~107W/cm2或更高)2、焊接速度快3、焊接殘余應(yīng)力和變形?。訜岱秶?lt;1mm）4、激光焊可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料(高熔點金屬、非金屬材料)5、可以焊接遠距離或一些難以接近部位的焊接6、可以一機多用（焊接切割合金化熱處理）7、和電子束相比，不需要真空，不產(chǎn)生有害的X射線，但不易焊接高反射率的材料。分類：連續(xù)脈沖二、激光的產(chǎn)生與激光束

1、激光產(chǎn)生的基本原理

1）.原子、離子或分子（CO2，He，Ne等）受光電激發(fā)后，出現(xiàn)大多數(shù)的高能粒子數(shù)。當(dāng)有光子趨近它時（光子頻率剛好又是符合普朗克條件），粒子就受到外束光子刺激，發(fā)射出一個同樣的光子，加上原入射光子就得到兩個增益光子，使原來處于高能階的粒子躍遷低能階上去，產(chǎn)生受激輻射、受激原子（He、N2、CO2）輻射的光子與入射光的波長、相位、偏振度運動方向相同，波長約又叫相干光，激光就是受激輻射產(chǎn)生的相干光。2）.保證實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很弱，無法實際應(yīng)用，所以可以用光學(xué)諧振腔進行放大。所謂光學(xué)諧振腔實際是在激光器兩端裝上兩塊反射率很高的鏡子，一塊全反射（100%），一塊部分反射（98%），被反射回到工作介質(zhì)的光繼續(xù)誘發(fā)新的受激發(fā)射，光被放大。因此光在諧振腔內(nèi)來回振蕩造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射鏡一端輸出。

激光特性：亮度高、方向性好、單色性好2、激光的模式模式：對于CO2激光有縱模和橫模兩種?？v模—激光頻率特性和對應(yīng)的一個光束場強在光軸方向上的分布。橫模—描述其場強橫向分布特征，可以是軸對稱，也可以是對光軸旋轉(zhuǎn)對稱。橫模的表示方法：TEMmn（mn均為小整數(shù)）TEM代表電磁橫波，m、n表示在x軸和y軸方向上光強為零的那些零點的序數(shù)，即波節(jié)數(shù)。

TEM00——基模

yxTEM00TEM10TEM01TEM20TEM11TEM22第二節(jié)、激光加工設(shè)備一、激光器

激光加工設(shè)備：主要有激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工作臺及工件裝夾及運動系統(tǒng)、光學(xué)元件的冷卻系統(tǒng)，以及過程與質(zhì)量的控制系統(tǒng)、安全裝置等。激光器按激光工作物質(zhì)可以分為：固態(tài)激光器和氣體激光器按能量輸出方式可以分為：脈沖激光器和連續(xù)激光器激光的主要部件有：

激光工作物質(zhì)——具有若干能級的粒子系統(tǒng)并具備亞穩(wěn)態(tài)能級。激勵源（泵浦源）——給激光物質(zhì)提供能量，使之處于非平衡狀態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

諧振腔——給受激輻射提供震蕩空間和穩(wěn)定輸出的正反饋，限制光束的方向和頻率。電源——為激勵源提供能源。聚光器——固態(tài)激光器特有，能夠使光泵浦的光能最大限度地照射到激光物質(zhì)上，提高光的利用率。其他的控制和冷卻系統(tǒng)是為了保證激光器的穩(wěn)定可靠地工作。1、固體激光器－－主要由激光工作物質(zhì)（紅寶石、YAG或釹玻璃棒）、聚光器、諧振腔、泵燈、電源及控制設(shè)備等組成。

2、氣體激光器－－CO2氣體激光器，主要工作氣體是CO2、N2和He。根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為封閉(離）式或半封閉（離）式、橫流式和軸流式。

二、導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)

組成、作用、方式透射式聚焦反射式聚焦

模式TEM00的激光聚焦后的最小光斑直徑可以用下式進行計算：式中：d——聚焦后光斑最小直徑（mm)

λ——激光波長（mm)F——透鏡焦距(mm)D——聚焦前透鏡的光束直徑(mm)C——常數(shù)

三、控制系統(tǒng)

用計算機來實現(xiàn)邏輯處理，使裝載工件的工作對，按需要的運動軌跡和動作完成加工，另外，還包含激光功率控制、氣壓及補償流速的測量和控制、風(fēng)機控制、電源控制、導(dǎo)光控制等各種功能

四、工作臺

第三節(jié)激光焊接一、材料對激光的吸收1、吸收過程2、影響金屬材料對激光吸收的因素:材料性質(zhì)、溫度、激光波長材料的表面狀態(tài)激光功率密度二、激光焊機理

按激光器輸出的能量方式不同，可分為連續(xù)和脈沖激光焊；按光斑的功率密度不同可分為：傳熱焊（熔化焊）和深熔焊（小孔焊）。1、傳熱焊（熔化焊）及其特點：光斑功率密度小于105W/cm22、深熔焊（小孔焊）及其特點：光斑功率密度大于等于106W/cm23、激光焊過程中的等離子云：1)、激光焊過程中的等離子云產(chǎn)生原因

激光是光，又是一種電磁波，在加熱金屬時產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：一是金屬被激光加熱氣化后，在熔池上方形成高溫金屬氣云，當(dāng)激光功率密度很大時，高溫金屬蒸氣將在電磁場的作用下發(fā)生離解形成等離子體；二是焊接時施加的保護氣，在高功率密度激光的作用下也能離解形成等離子云。因此，等離子云的產(chǎn)生不僅與激光的功率密度有關(guān)，而且與被焊金屬的性質(zhì)及保護氣有關(guān)。

2)、等離子云對焊接過程的影響

激光焊接時產(chǎn)生的等離子云對焊接過程產(chǎn)生不利影響，位于熔池上方的等離子云，對激光的吸收系數(shù)很大，它相當(dāng)于一種屏蔽，吸收部分激光，使金屬表面得到的激光能量減少，焊接熔深減小，焊縫表面增寬，形成“圖釘”狀焊縫，而且焊接過程不穩(wěn)定。

3)、為了獲得成形良好的焊縫和增加焊接熔深，激光焊接過程中必須采取措施抑制等離子云。

焊接過程中克服等離子云影響的最常規(guī)方法是通過噴嘴對熔池表面噴吹惰性氣體?？梢岳脷怏w的機械吹力驅(qū)除等離子云，使其偏離熔池上方。還可以利用較低溫度的氣體降低熔池上方高溫氣體的溫度，抑制產(chǎn)生等離子云的高溫條件。

其它方法還有下面幾種：采用高頻脈沖激光焊，使每個激光脈沖的加熱時間少于等離子云形成的時間，則等離子云還未生產(chǎn)焊接加熱已結(jié)束；采用高速焊或較短波長的激光進行焊接，對減輕等離子云對焊接過程的干擾也有一定作用。4、激光焊接過程中的幾種效應(yīng)

1）激光焊接過程中的等離子體（等離子云）1）等離子體的形成2）等離子體的行為（2）壁聚焦效應(yīng)概念：入射激光束有一部分由孔壁反射到在孔內(nèi)某處重新會聚起來的現(xiàn)象。作用：可使激光在小孔內(nèi)維持較高的功率密度。

（3）凈化效應(yīng)對于波長為的CO2激光，非金屬的吸收率遠遠大于金屬，當(dāng)非金屬和金屬同時受到激光輻射時，非金屬將吸收較多的激光使其溫度迅速上升而氣化。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低，蒸汽壓高，它們會從熔池中蒸發(fā)出來。凈化效應(yīng)的前提是對焊接區(qū)加以有效保護，使之不受大氣等的污染?，F(xiàn)象：焊縫金屬有害雜質(zhì)元素或夾雜物減少，對金屬塑韌性有很大好處。三、材料的激光焊接性金屬的激光焊接性

（1）抗熱裂性

激光焊雖然有較高的焊接速度，但其熱裂紋敏感性卻比較低。這是因為激光焊焊縫組織晶粒較細(xì)，可有效防止熱裂紋的產(chǎn)生。（2）抗冷裂性

冷裂紋的評定指標(biāo)是24h在試樣中心不產(chǎn)生裂紋所加的最大載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，即臨界應(yīng)力。焊接含碳量高的材料時，冷裂紋敏感性大，原因是激光焊冷卻速度快，導(dǎo)致材料產(chǎn)生硬度高、含碳量高的片狀或板條狀馬氏體。焊接低合金高強鋼時，激光焊的抗冷裂紋能力較大。

（3）焊接接頭的殘余應(yīng)力與變形

CO2激光焊加熱光斑小，熱輸入小，使得焊接接頭的殘余應(yīng)力和變形比常規(guī)焊接方法小得多。（4）沖擊韌性

激光焊接頭的沖擊吸收功大于母材金屬的沖擊吸收功。主要原因之一就是焊縫金屬的凈化效應(yīng)。

四、激光焊焊接工藝及參數(shù)1、脈沖激光焊的焊接工藝及參數(shù)（類似于點焊）

（1）焊接接頭的型式

2）功率密度激光焊時功率密度由下式?jīng)Q定：式中：P——激光光斑上的功率密度（W/cm2）；E——激光脈沖的能量（J）；d——光斑直徑（cm）；

——脈沖寬度（s）脈沖焊時的焊點直徑及深度，完全由熱傳導(dǎo)決定，當(dāng)p達到106w/cm2時，將產(chǎn)生小孔效應(yīng)，形成深寬比大于1的焊點，此時金屬少量蒸發(fā)，但不影響焊點的形成。功率過大，不能形成焊點。從上圖可以看出，E和呈直線關(guān)系，這表明當(dāng)板厚一定時，焊接所需的能量是一定的，它隨焊接厚度的增加而增加。3）離焦量?F離焦量?F：焊件表面離聚焦激光束最小斑點的距離。?F>0正離焦量?F<0負(fù)離焦量離焦量?F影響激光加熱斑點的大小，光束入射狀態(tài)等，進而影響到功率密度和熔深大小。?F應(yīng)合適，太大會產(chǎn)生下列現(xiàn)象：光斑直徑變大功率密度降低熔深減小2、連續(xù)CO2激光焊焊接工藝參數(shù)（1）CO2激光焊工藝

①接頭型式及裝配要求接頭型式：③激光焊參數(shù)及其對熔深的影響1）激光功率P激光功率P——激光的輸出功率。在其他條件不變的情況下，熔深隨激光功率的增大而增大。

若在He里加入少量的Ar或O2可進一步提高熔深。另外，熔深與激光功率和焊接速度的關(guān)系：二是焊接時施加的保護氣，在高功率密度激光的作用下也能離解形成等離子云。透射式聚焦作用：可使激光在小孔內(nèi)維持較高的功率密度。1、固體激光器－－主要由激光工作物質(zhì)（紅寶石、YAG或釹玻璃棒）、聚光器、諧振腔、泵燈、電源及控制設(shè)備等組成。7、和電子束相比，不需要真空，不產(chǎn)生有害的X射線，但不易焊接高反射率的材料。λ——激光波長（mm)接材料等。激光器按激光工作物質(zhì)可以分為：固態(tài)激光器和氣體激光器6、可以一機多用（焊接切割合金化熱處理）激勵源（泵浦源）——給激光物質(zhì)提供能量，使之處于非平衡狀態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在其他條件不變時，焊接速度提高，熱輸入下降，熔深減少?？v?！す忸l率特性和對應(yīng)的一個光束場強在光軸方向上的分布。模式TEM00的激光聚焦后的最小光斑直徑可以用下式進行計算：式中a、b為參數(shù)，a——kJ/mm另外，這些實驗結(jié)果可以用經(jīng)驗公式表示：式中：h——熔深（mm）；p——激光功率（w）；k——常數(shù)（≤，典型實驗為和1.0)。

2）焊接速度在其他條件不變時，焊接速度提高，熱輸入下降，熔深減少。現(xiàn)象：焊縫金屬有害雜質(zhì)元素或夾雜物減少，對金屬塑韌性有很大好處。式中：h——熔深（mm);式中a、b為參數(shù)，a——kJ/mm激光器按激光工作物質(zhì)可以分為：固態(tài)激光器和氣體激光器1)、激光焊過程中的等離子云產(chǎn)生原因材料性質(zhì)、溫度、激光波長D——聚焦前光束的直徑（mm）；反射式聚焦從上圖可以看出，E和呈直線關(guān)系，這表明當(dāng)板厚一定時，焊接所需的能量是一定的，它隨焊接厚度的增加而增加。1、固體激光器－－主要由激光工作物質(zhì)（紅寶石、YAG或釹玻璃棒）、聚光器、諧振腔、泵燈、電源及控制設(shè)備等組成。脈沖焊時的焊點直徑及深度，完全由熱傳導(dǎo)決定，當(dāng)p達到106w/cm2時，將產(chǎn)生小孔效應(yīng)，形成深寬比大于1的焊點，此時金屬少量蒸發(fā)，但不影響焊點的形成。E——激光脈沖的能量（J）；原子、離子或分子（CO2，He，Ne等）受光電激發(fā)后，出現(xiàn)大多數(shù)的高能粒子數(shù)。若在He里加入少量的Ar或O2可進一步提高熔深。接材料等。焊接速度和熔深的關(guān)系可近似表示為：式中：h——熔深（mm);v——焊接速度（mm/s）；γ——小于1的常數(shù)。另外，熔深與激光功率和焊接速度的關(guān)系：式中：、——常數(shù)，取決于激光源、聚焦系統(tǒng)和焊接材料等。3）光斑直徑do光斑直徑的定義：

光子強度降到中心光子強度e-1時，光斑的能量為60%的總能量；光子強度降到中心光子強度e-2時，光斑的能量為86.5%的總能量。

e-2的直徑：

式中：do——最小光斑直徑（mm）；f——透鏡的焦距（mm）；

——激光波長（mm）；D——聚焦前光束的直徑（mm）；m——激光振動模的階數(shù)。

4）離焦量F

離焦量F影響焊接熔深、焊縫熔寬、焊縫截面形狀等。F絕對值大時，熔深小，屬于傳熱焊；

F絕對值小時，熔深增加，達到某一值時，產(chǎn)生小孔——深熔焊。5）保護氣體保護氣體的作用：一是保護焊縫金屬二是抑制等離子云的產(chǎn)生抑制等離子云的作用機理：a）通過碰撞，增加電子復(fù)合速率，降低等離子體的電子密度。原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高，抑制等離子云的效果越好。b）利用流動氣體將金屬蒸汽和離子云吹散。所以氣體的流量要合適。