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1、激光焊接原理及工艺应用第1页，本讲稿共43页1、激光原理及特性第2页，本讲稿共43页什么是激光?镭射=激光=LASERLASER是英文的“受激辐射光放大”的首字母缩写。第3页，本讲稿共43页激光产生的原理 能级物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。跃迁电子可以通过吸收或释放
2、能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。第4页，本讲稿共43页 受激吸收 受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。受激辐射 受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引
3、起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。自发辐射 是指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为h=E2-E1，即两个能级之间的能量差。第5页，本讲稿共43页 粒子数反转 一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光
4、原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。第6页，本讲稿共43页三能级结构 当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到E2上，因能级E2为亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。下能级E1为基态，通常总是积聚着大量的粒
5、子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E2上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。第7页，本讲稿共43页四能级结构 常见激光器中，掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG）激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。第8页，本讲稿共43页激光产生条件 1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。
6、2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。第9页，本讲稿共43页泵浦灯 l 氙灯为惰性气体放电灯，我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙（Xe）气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率，又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯
7、管内充入氙气。第10页，本讲稿共43页Nd：YAG激光棒l Nd：YAG（掺钕的钇铝石榴石）是目前最常用的一类固体激光器。YAG是一种立方结构晶体，质地很硬、光学质量好、热导率高。用三价钕代替了晶体中部分的三价钇，因此称为掺钕的钇铝石榴石。第11页，本讲稿共43页 3、谐振腔有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。还需要将辐射的光进行放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为部分反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，部分
8、反射镜片的作用是将能量未达到一定限度的部分光子按原路径反射回去，而达到一定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这部分光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则继续诱发新一轮的受激辐射，光将逐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，直到能量达到一定的限度，从部分反射镜片中输出。第12页，本讲稿共43页激光谐振腔 光学谐振腔 图2-6图2-7 谐振腔结构M1100%M298%L第13页，本讲稿共43页激光谐振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的热焦距d1：棒中心到半反的距离 d
9、2：棒中心到全反的距离R1：全反曲率半径 R2：半反曲率半径b=d1+d2-d1d2/f 稳定腔:0 G1*G21 介稳腔:G1*G2=1或G1*G2=0 非稳腔:G1*G21第14页，本讲稿共43页第15页，本讲稿共43页激光特点 相干性好：普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。方向性强激光的
10、方向性比现在所有的其他光源都好得多，它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。单色性好：受激辐射光（激光）是原子在发生受激辐射时释放出来的光，其频率组成范围非常狭窄，通俗一点讲，就是受激辐射光单色性非常好，激光的“颜色”非常的纯（不同颜色，实际就是不同频率）。激光的单色性是实现激光加工的重要因素。我们可以通过简单的物理实验来说明这个问题 亮度高第16页，本讲稿共43页激光器分类 对激光器有不同的分类方法，一般按工作介质的不同来分类，在可以分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。另外，根据激光输出方式的不同又可分为连
11、续激光器和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大，还可以按发光的频率和发光功率大小分类。固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了前面介绍用红宝石和玻璃外，常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器 气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的有点。其中，氦氖激光器是最常用的一种。第17页，本讲稿共43页 半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有
12、掺铝的砷化镓、硫化铬硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。液体激光器常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用。第18页，本讲稿共43页激光器分类CO2激
13、光器YAG激光器半导体激光器光纤激光器其它激光器YAG 脉冲激光焊接机由于加工精度高，热输入量小，工件变形小，生产效率快，自动化程度高等优点，被广泛应用于IT消费类电子产品的加工制造中第19页，本讲稿共43页2、激光焊接原理及特性第20页，本讲稿共43页激光焊接原理激光焊接原理 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。第21页，本讲稿共43页激光焊接原理v 激光焊接一般分为热传导焊接和深熔焊v 激光功率密度为105106w/cm2形成激光热传导
14、焊v 激光功率密度为105106w/cm2形成激光深熔焊第22页，本讲稿共43页激光焊接的特性与其它焊接方式相比，激光焊接具有以下特性：v 能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊缝深宽比大v 热输入量小，热影响区小，工件残余应力和变形小v 非接触式焊接，光纤传输，可达性较好，自动化程度高v 接头设计灵活，节省原材料v 焊接能量可精确控制，焊接效果稳定，焊接外观好第23页，本讲稿共43页激光焊接的特性焊接方式 热影响区 热变形 焊缝质量 是否添加焊料 焊接环境激光焊接 较小 较小 较好 否 无要求电子束焊 较小 较小 较好 否 真空等离子弧焊 一般 一般 一般 是 需电极电阻焊 较大 较大 一般
15、否 需电极氩弧焊 较大 较大 一般 是 需电极钎焊 一般 一般 一般 是 整体加温各种焊接方式比较第24页，本讲稿共43页3、金属材料的激光焊接工艺第25页，本讲稿共43页钢及其合金的焊接316L 不锈钢激光点焊 316L 不锈钢激光点焊焊点截面v 不锈钢使用普通方波即可获得良好的焊接效果v 设计焊接结构时，尽量使焊点远离非金属物质v 为满足强度及外观要求，应尽量预留足够的焊接区域及工件厚度v 焊接时应、保证工件的清洁度及环境的干燥度第26页，本讲稿共43页铝及其合金的焊接铝合金螺柱激光点焊铝合金螺柱激光点焊v 铝合金材料反光率很高，焊接时需要较高的激光峰值v 脉冲点焊时易产生裂纹，影响焊接强
16、度v 材料成份易产生偏析，容易产生飞溅，应选择较好的原材料v 一般使用大光斑和长脉宽可以取得较好的焊接效果第27页，本讲稿共43页铜及其合金的焊接紫铜密封缝焊黄铜插接件缝焊v 铜材料反光率相比铝合金更高，焊接激光峰值更高，激光头需倾斜一定角度v 针对一些铜合金，如黄铜、白铜等，受合金元素影响，焊接难度较大，焊接时需注意工艺参数的选择第28页，本讲稿共43页异种金属焊接铝合金与镀金磷铜小片点焊 铝合金与镀金磷铜小片点焊v 能否形成固溶体v 异种金属之间的负电性差异是否较大v 其它影响因素第29页，本讲稿共43页异种金属焊接v 能否形成固溶体，异种金属在液态及固态下能否互溶，只有能无限互溶时，才
17、能形成牢固焊接接头，一般只有两者之间的原子半径差小于14%15%时，才能 形成溶解度较大甚至无限互溶的固溶体v 异种金属之间的负电性差异是否较大，相差越大，则他们之间的化学亲和力就 越强，就越倾向于生成化合物而不利于形成固溶体，所形成的固溶体溶解度也 就越小，其焊接接头强度也越低v 此外，异种金属焊接还跟材料之间的熔点、线膨胀系数、导热率、比热、氧化 性、反光率等性能有很大关系，这些物理特性相差越大，则越难焊接，所形成 的焊接接头强度越差v 通常钢与铜、铝和镍、铜和镍等异种金属材料的激光焊接性都比较好，能获得 较好的焊接质量异种金属能否形成优质焊接接头主要取决于被焊金属的物理性能、化学性能、化
18、学成分和工艺措施，通常从以下几个方面考量：第30页，本讲稿共43页4、激光焊接常见缺陷及应对措施第31页，本讲稿共43页激光焊接常见缺陷及应对措施v 焊点表面飞溅v 内部焊接气孔v 出现焊接裂纹v 产生焊接变形激光焊接时工艺参数不正确，措施不良，往往会导致一些焊接缺陷的产生：第32页，本讲稿共43页焊点表面飞溅焊接飞溅 激光焊接时产生飞溅的主要原因是激光功率密度过高，工件在短时间内吸收了较多的激光能量，材料严重气化，熔池反应剧烈形成焊接飞溅，飞溅不仅影响工件的外观和装配精度，更会影响焊接强度，造成产品不良激光焊接时产生的飞溅第33页，本讲稿共43页焊点表面飞溅引起飞溅具体原因，可以归纳为以下几
19、点：v 激光峰值功率过高，形成焊接飞溅v 焊接波形不合适，对高反射率材料未使用合适波形焊接v 材料成份偏析，造成局部吸收率提高，形成焊接飞溅v 工件表面有污物或非金属物质，造成吸收率提高，形成焊接飞溅v 两工件之间或工件底部有低熔点物质，焊接时形成大量气体，造成飞溅v 焊接部位形成中空的封闭空间，焊接时空间内的空气受热膨胀形成飞溅第34页，本讲稿共43页防止飞溅的措施一般从以下几个方面来改善焊接效果，防止焊接飞溅：v 优化焊接焊接工艺参数，如降低峰值功率或使用尖峰波v 选用合格优质的原材料v 加强焊前清洗，祛除油污杂质v 合理设计焊接结构第35页，本讲稿共43页焊点内部气孔 气孔是激光焊接中最
20、常见的缺陷，激光焊接热循环快，熔池存在的时间短，造成焊接时形成的气体来不及从熔池中溢出，从而形成焊接气孔焊接气孔激光焊接时产生的气孔第36页，本讲稿共43页气孔的分类激光焊接时常见的气孔一般可以分为以下几类：v 氢气孔v 一氧化碳气孔v 小孔坍塌气孔第37页，本讲稿共43页气孔的预防措施气孔是激光焊接时的常见缺陷，应跟据气孔产生的机理采取相应的预防措施：v 减小气孔来源 工件表面水、油污、氧化膜等融入熔池，发生冶金或物理，析出气体，当气体来不及溢出熔池，就会形成气孔，因此焊接前应做好工件清洗工作，甚至增加预热，可有效减小气孔产生几率v 延长熔池存在时间 由于激光焊接的特性，其热循环时间快，熔池
21、存在时间短，熔池中析出的气体往往来不及金属就凝固了，所以延长熔池存在的时间也是减少气孔产生的一个有效方法，具体做法可以延长焊接脉宽v 改变离焦量 焊接时，激光在焦点或负离焦位置焊接时，熔池反应剧烈，合金元素气化严重，往往成为产生气孔的气体来源，当改变离焦位置，使焊接能量更加柔和，则可减少金属元素气化形成的气孔第38页，本讲稿共43页焊前处理方法工艺材料脱 脂碱 洗冲洗中 和 光 化冲洗 干 燥NaOH 溶液质量分数温度（）时间(min)HNO3溶液质量分数温度（）时间(min)纯铝 汽油煤油 6%10%4050 20 清水 30%室温 13 清水风干或低温干燥燥铝镁、铝锰合金汽油煤油 6%10
22、%4050 7 清水 30%室温 13 清水风干或低温干燥以铝合金为例，可以采用化学或机械两种焊前处理方式来减少气孔等焊接缺陷：v 化学清洗v 机械清理 先用有机溶剂(丙酮、松香或汽油)擦拭焊件表面的油污，然后用细铜线刷至表面露出金属光泽，或者用刮刀清理表面第39页，本讲稿共43页焊接裂纹激光焊接时产生的裂纹激光焊接时裂纹危害很大，严重影响工件的焊接强度，降低工件的使用寿命，因此预防裂纹有重要意义，激光焊接加热冷却时间快，加大了材料产生裂纹的几率，必须采取一定措施加以改善第40页，本讲稿共43页裂纹的分类v 热裂纹，包括结晶裂纹、多变化裂纹和液化裂纹v 冷裂纹，包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑
23、性脆化裂纹v 再热裂纹，主要指消除应力热处理裂纹和SR 裂纹v 层状撕裂按照裂纹形成机理，裂纹可分成以下几类：第41页，本讲稿共43页裂纹的预防激光焊接主要生成的是热裂纹，在焊接铝合金和高碳高合金钢时常常产生裂纹，预防措施如下：v 焊接某些牌号的铝合金或高碳高合金钢时，由于材料脆硬倾向大，在波形上需增加预热跟缓冷波段，以减少裂纹倾向或降低开裂程度，增加焊接强度v 在焊接接头选择设计时，尽量减少焊接应力的产生，降低焊接时的裂纹倾向v 选择合适的焊接材料，在同等性能的情况下，尽量选用裂纹倾向小的材料第42页，本讲稿共43页焊接变形在焊接薄板大幅面多焊点时，往往易产生焊接变形，影响后期工件装配精度和使用性能，焊接时一种局部加热的材料加工方式，焊接变形形成的原因是工件各部分焊接热输入不均匀，热胀冷缩不一致造成焊接变形，因此需要从变形产生的原因加以预防或改善：v 优化工艺参数，减少热输入量，如增加激光峰值，减小焊接脉宽，在不 影响焊接表面质量的前提下可有效减小焊接变形量v 降低焊接速度和平率，使单位时间内输入工件的热量减小，则焊接变形 量随之减小v 优化焊接顺序，使工件各部分受热均匀，也是减小焊接变形的一种有效 方法第43页，本讲稿共43页