激光原理與應(yīng)用2016.07.09

1、,焊接論文題目,激光原理及激光加工應(yīng)用,,參考材料：激光加工技術(shù)，王家金，中國(guó)計(jì)量出版社激光原理與技術(shù) 施亞齊 華中科技大學(xué)出版社激光輻照效應(yīng)，孫承偉，國(guó)防工業(yè)出版社,,,課程主要內(nèi)容,引 言 激光的應(yīng)用第一章 激光的基本物理特性第二章 激光產(chǎn)生的基本原理及激光器第三章 激光加工系統(tǒng)第四章 激光打標(biāo)、激光切割第五章 激光焊接第六章 激光清洗,激光加工技術(shù)應(yīng)用概述,一、激光加工方法,

2、激光切割,激光焊接,激光表面處理,激光雕刻,各種加工方法的適用范圍,打標(biāo):激光器:激光功率:材料:方法:時(shí)間:優(yōu)點(diǎn):,商標(biāo)、刻度以及刻度圖案的標(biāo)記RSM 100Q100 W不銹鋼雕刻25秒高精度(150 mm以上的誤差 < 5 µm ),激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例,激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例,打標(biāo):激光器:

3、材料:方法:打標(biāo)時(shí)間:優(yōu)點(diǎn):,文本、標(biāo)志、數(shù)據(jù)代碼以及二維矩陣代碼的標(biāo)記ROFIN IC 打標(biāo)機(jī)塑料復(fù)合材料非常輕微的雕刻500字符／秒(單加工頭）1000字符／秒以上(雙加工頭)標(biāo)刻深度小于25 µm,激光表面打標(biāo)應(yīng)用舉例,激光器:激光功率:材料:時(shí)間:優(yōu)點(diǎn):,RSM 130D3W彩色塑料低于

4、15秒永久性標(biāo)識(shí)可從后部照明,激光切割應(yīng)用舉例,2、激光切割,激光切割應(yīng)用舉例,,3、激光焊接,熱導(dǎo)焊接、深熔焊接,激光焊接應(yīng)用舉例,激光焊接應(yīng)用舉例,4.激光熱處理種類,,,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)：PRC,PRAMA,德國(guó)：HAAS,TRUMPF,ROFIN-SINAR,英國(guó)：LUMONICS日本：川崎重工,東芝,,

5、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,切割24%,焊接14%,打標(biāo)24%,14%,雕刻 3%12%微處理,各種加工方法的應(yīng)用比例打孔 其它,9%,,,激光加工技術(shù)在汽車中的應(yīng)用,第一章 激光及物理特性,激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽(yáng)光的100億倍。激光的

6、原理早在 1916 年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。,2024/3/16,Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER中文： 大陸地區(qū)：激光，港澳地區(qū)：激光、鐳射，臺(tái)灣地區(qū)：雷射 | 英語(yǔ)： Laser,2

7、024/3/16,,,,,,,,,,,,,,能量,激光束物理特性,P,波長(zhǎng),λ,激光,自然光,一、激光的特性：,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高出106～107倍以上。,自然光由波場(chǎng)范圍較寬的光構(gòu)成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。,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；,CO2：10.6μm CO： 5.4μm YAG：1.06μm 準(zhǔn)分子：0.24μ

8、m；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,激光束,2、方向性好、亮度高 從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。,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(guò)直徑為D

9、的孔徑時(shí)，由于衍射會(huì)產(chǎn)生一定發(fā)散：,?θ(發(fā)散角)等相位面,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

10、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。,2024/3/16,2024/3/16,,三、高能激光束的獲取,為了獲得滿足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：,1、提高激光束的輸出功率（亮度特性）,CO2激光：45kW，YAG,激光-5kW，半導(dǎo)體激光-4kW；,2、提高激光束的光束質(zhì)量（發(fā)散角）,3、采用適當(dāng)?shù)?聚焦方法（透鏡、反射鏡聚焦）,,光束參

11、數(shù)積(光斑半徑乘以該方向上遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積)與激光功率決定加工范圍,,,,4、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。通常用TEMmn表示不同橫模的光場(chǎng)分布：,旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模,軸對(duì)稱橫模氣體激光器,固體激光器,,,,第二章 激光產(chǎn)生的基本原理及激光器,一、能級(jí)、躍遷、輻射,1、能級(jí)：當(dāng)原子或分子內(nèi)部的電子與外界交換能量時(shí)，原子的內(nèi)能

12、也將發(fā),生變化，但內(nèi)能的變化是不連續(xù)的，其內(nèi)能的狀態(tài)成為能級(jí)。粒子（分子或原子）可以處于許多不同的能級(jí)，穩(wěn)態(tài)能級(jí)稱為基態(tài)。,2、輻射躍遷：粒子從外界吸收能量時(shí)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；從高能級(jí)躍,遷到低能級(jí)時(shí)向外界釋放能量。如果吸收或釋放的能量是光能，則稱此躍遷為輻射躍遷。,輻射光子的能量：,公式中：h-譜朗克常數(shù) ν-光波頻率,3、激發(fā)：實(shí)現(xiàn)粒子從低能級(jí)向高能級(jí)的躍遷過(guò)程成為激發(fā)，方式主要以：,加熱激發(fā)、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)。,

13、E=E2 ?E1 =hυ,激光的產(chǎn)生過(guò)程可歸納為：,激光產(chǎn)生,工作物質(zhì),光子放大及振蕩,其它粒子的受激輻射,偶然的自發(fā)輻射,粒子數(shù)反轉(zhuǎn),外界激勵(lì),光學(xué)諧振腔,,,,,,,二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn),1、亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)：粒子在受激狀態(tài)下，可以存在的時(shí)間較長(zhǎng)的,能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。,2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：熱平衡狀態(tài)下，處于高能級(jí)的粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于處于基態(tài)的粒子數(shù)，如果在外界作用下打破平衡，使亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)大于處于低能級(jí)的粒子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子

14、數(shù)反轉(zhuǎn),3、激光工作物質(zhì)：凡是可通過(guò)激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)都,稱激光工作物質(zhì)。,固體工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）；紅寶石；釹玻璃；氣體工作物質(zhì)：CO2分子氣體；He-Ne原子氣體；氬離子氣體；半導(dǎo)體工作物質(zhì)：砷化鎵,工作物質(zhì)——被激勵(lì)后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的活性物質(zhì),激勵(lì)裝置——能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源,光激勵(lì)： 用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì)（閃光燈、LD）；電激勵(lì)： 用氣體放電的辦法來(lái)利用具有動(dòng)能的電子去激

15、發(fā)介質(zhì)原子；化學(xué)激勵(lì)：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法；熱激勵(lì)： 超音速絕熱膨脹法；注入式激勵(lì)：采用向半導(dǎo)體物質(zhì)注入大電流的方法。,典型激光器,激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu),晶體腔：產(chǎn)生最原始的激光（包含YAG晶體，LED光源，電源）；全反光鏡：使光完全反射回去，增大光強(qiáng)度；半反射鏡：反射75%的光，只有滿足一定直線性，能量和波長(zhǎng)的光才能通過(guò)，大約25%；Q-Switch：分X軸和Y軸，控制激光輸出能量，得到能量較強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的光束；功率計(jì)：量測(cè)

16、輸出的激光能量大小；Shutter：控制激光輸出的一個(gè)開(kāi)關(guān)。,全反光鏡,反光鏡： （越75%）,Q-Switch,晶體腔,功率計(jì),Shutter,,,,,,,,接光纖,激光器外形,激光器內(nèi)部分解圖,Q-Switch,晶體腔,半反鏡,光纖耦合器,,,,(10 0),(02 0),(010),(00 0),CO2氣體激光器，YAG固體激光器，半導(dǎo)體激光器,（一）CO2氣體激光器,1、CO2氣體激光器的工作原理工作物質(zhì)為：CO2、

17、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；光束波長(zhǎng)：10.6µm;13010.6µm,0,9.6µm01,0,,2、激光器的組成,光學(xué)穩(wěn)定諧振腔：激光僅通過(guò)半透明反射鏡離開(kāi)諧振腔。光學(xué)不穩(wěn)定諧振腔：諧振腔由100％反射的反射鏡組成，激光經(jīng)過(guò)其中一面反射鏡離開(kāi)諧振腔。,,2、CO2激光器的組成,2、電極4、冷卻水6、出水口8、激光束1

18、0、風(fēng)機(jī),1、全反鏡3、交流電源5、諧振腔7、輸出窗口9、熱交換器11、進(jìn)水口,,3、CO2激光器的分類,（1）根據(jù)氣體流動(dòng)方式分類：,封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動(dòng)；慢 流 式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動(dòng)；橫 流 式：工作氣體在諧振腔中流動(dòng)方向與光束傳播方向垂直；軸 流 式：工作氣體在諧振腔中流動(dòng)方向與光束傳播方向同軸；,（2）根據(jù)激勵(lì)方式分類：,普通直流高壓激勵(lì)：交流升壓—高壓整流（1

19、6kV）；逆變直流高壓激勵(lì)：交流變頻—低壓整流—直流升壓（16kV）；射頻激勵(lì)：采用無(wú)線電波的頻率進(jìn)行激勵(lì)；,（3）根據(jù)諧振腔形式分類：,單管直腔式：光束在直線式的腔中振蕩，通常用于慢流式激光器中；折疊腔式：內(nèi)部光路中增加折疊鏡，增加激光的振蕩長(zhǎng)度以提高功率；,,激光器類型： 橫流 軸流,擴(kuò)散冷卻,輸出功率等級(jí)：,3~45kW 1.5~20k

20、W,0.2~3.5kW,脈沖能力：,DC,DC-1kHz,DC-5kHz,光束模式：,TEM02以上,TEM00-TEM01,TEM00-TEM01,光束傳播系數(shù)(K),≤0.15,≤0.4,≤0.8,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

21、 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,,（二）固體激光器,固體激光器分類根據(jù)工作物質(zhì)分類：,紅寶石：激活離子Cr3+，波長(zhǎng)：694.3nm，三能級(jí)；,Nd:YAG：激活離子：Nd，波長(zhǎng)：1.06µm，

22、四能級(jí)；,釹玻璃： 激活離子：Nd，波長(zhǎng):1.06µm，四能級(jí),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。,,Nd:YAG激光波長(zhǎng)1.06μ

23、m, 可用于加工高反射率材料（如鋁、銅）,激光活性物質(zhì)釹(Nd3+離子)位于釔-鋁-石榴石(Y-A-G)組成的固態(tài)晶體中，該晶體通常呈棒狀，當(dāng)光束質(zhì)量較高時(shí)，也有可能為片狀或碟狀 。,工業(yè)應(yīng)用的脈沖Nd:YAG激光器的電源系統(tǒng)較為特殊，可輸出較高的脈沖功率，但平均功率較低，峰值功率可以是平均功率的15倍。,工業(yè)上應(yīng)用的連續(xù)Nd:YAG激光器的輸出功率已達(dá)到5kW以上。連續(xù)Nd:YAG激光器與脈沖系統(tǒng)相比可達(dá)到更高的加工速度。連

24、續(xù)Nd:YAG激光器具有Q-開(kāi)關(guān)的特殊工作模式。,Nd:YAG激光特性,,1、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體激光器將幾個(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

25、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,,2、二極管泵浦YAG激光器,二極管在連續(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,,2、半導(dǎo)體泵浦YAG激光器,

26、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)。,二極管泵浦YAG激光器在材料加工中的優(yōu)

27、勢(shì),燈式泵浦Nd:YAG激光器加工頭,二極管泵浦Nd:YAG激光器加工頭,的加工靈活性的增加,聚焦直徑更小,工作距離更遠(yuǎn),加工效率更高(更高的速度或更低的功率要求),熱輸入低加工靈活性更高,ΔHQ,ΔHQ光學(xué)鏡片更細(xì)小難以到達(dá)的工作區(qū)ΔHQΔHQ = 由高質(zhì)量光束引起,●,●●,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：

28、焦點(diǎn)位置對(duì)公差不敏感,,（三）半導(dǎo)體激光器工作原理,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。,,半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用,半導(dǎo)體激光器焊接汽車尾燈,半導(dǎo)體激光器焊接橡膠與塑料,工業(yè)用激光器總結(jié),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,激光加工系統(tǒng),工作臺(tái)CNC控制系統(tǒng),第三章一、激光加工系統(tǒng)的構(gòu)成 循環(huán)水冷系統(tǒng),激光器

29、氣體供給系統(tǒng),光束傳輸及聚焦CNC控制,激光器控制器,,,,,,,,,,,,,二、光束的傳輸與聚焦（一）光束的傳輸,擴(kuò)束后的激光束,f2,f1,擴(kuò)束鏡,激光束,擴(kuò)束鏡：用來(lái)控制激光器產(chǎn)生的原始光束的發(fā)散程度，將光束直徑調(diào)整到聚焦光學(xué)系統(tǒng)所需的任意尺寸。,1、光束的擴(kuò)束,,,,,,,,,,,,,,2、光束的轉(zhuǎn)向,光束轉(zhuǎn)向鏡,輸出2,輸出1,100%,激光束,CO2激光器和Nd:YAG激光器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向

30、方法都是將反射鏡插入在光束的傳輸路徑中。,,,,,,,,,,,,,,,,,3、能量的分配,幾何分配激光束,透射分配激光束,光束轉(zhuǎn)向鏡50%,50%,部分透射鏡50%,50%,,4、反射鏡傳輸,CO2激光器柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)基本原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

31、,,,,,,,.,校準(zhǔn)模塊,光束反,射腔聚焦模塊f3,耦合單元,α,激光束,5、光纖傳輸光纖傳輸基本原理CCD,光纖f1f2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,a) 階躍折射率光纖,b) 梯度折射率光纖,出光纖后的強(qiáng)度分布,進(jìn)

32、入光纖前的強(qiáng)度分布,折射指數(shù)n,n1,n2,折射指數(shù)n,n1,n2,出光纖后的強(qiáng)度分布,進(jìn)入光纖前的強(qiáng)度分布,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光纖傳輸方式,光纖聚焦鏡,冷卻設(shè)備光束轉(zhuǎn)向鏡激光束,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

33、光加工。,,（二）光束的聚焦,掃描式焊接加工頭,,變焦點(diǎn)光學(xué)元件,,（三）、激光加工系統(tǒng)分類,根據(jù)軌跡特性：二維平面軌跡系統(tǒng)（二軸、三軸）,三維空間軌跡系統(tǒng)（四軸、五軸、六軸）,根據(jù)時(shí)間特性：能分系統(tǒng)、時(shí)分系統(tǒng),二維平面軌跡加工（切割、焊接）系統(tǒng),,四軸、三維空間軌跡加工系統(tǒng),,三維空間軌跡機(jī)器人加工系統(tǒng),,遠(yuǎn)距離焊接系統(tǒng)原理,,（四）、工作氣體,指焊接過(guò)程中作為保護(hù)或其它目的的工藝氣體。,通常，噴嘴到工件的距離在3~10mm的范圍之間

34、，典型的噴嘴孔直徑在4~8mm之間，經(jīng)常使用低氣壓，氣體流速在8~30L/min之間。,,第四章、激光打標(biāo)與激光切割介紹,1.激光標(biāo)刻機(jī)種類,1）按激光器分,2）按工作方式劃分,按工作方式可分為連續(xù)型激光標(biāo)刻機(jī)和脈沖型激光標(biāo)刻機(jī)。,3）按激光器波長(zhǎng)分,按激光器波長(zhǎng)分為紅外、可見(jiàn)光、紫外光激光標(biāo)刻機(jī)。,4）按掃描方式分,按激光器掃描方式分為光路靜止型和光路運(yùn)動(dòng)型。典型為振鏡式、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)式、x/y軸激光運(yùn)動(dòng)式。,激光打標(biāo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用

35、,常用切割激光器及應(yīng)用,激光切割技術(shù)的優(yōu)勢(shì),切割質(zhì)量好：切口細(xì)窄，表面光潔，熱影響區(qū)小,切割效率高：與數(shù)控搭載，可適用不同形狀零件,切割速度快：1200w切2mm低碳鋼，速度可達(dá)600cm/min,非接觸式切割：無(wú)刀具磨損,切割材料多：金屬、非金屬、復(fù)合材料、皮革、纖維、木材等,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合,激光雕刻加工是利用數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介。加工材料在激光照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達(dá)到加工的目的。,激光雕

36、刻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,2024/3/16,77,第五章、激光焊接技術(shù),2024/3/16,78,主 要 內(nèi) 容,1、概述2、激光焊接原理3、工藝特性及參數(shù)調(diào)節(jié) 4、激光焊接加工系統(tǒng)5、激光先進(jìn)焊接技術(shù),2024/3/16,2024/3/16,激光焊與電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊的對(duì)比1）電阻焊：它用來(lái)焊接薄金屬件，在兩個(gè)電極間夾緊被焊工件通過(guò)大的電流熔化電極接觸的表面，即通過(guò)工件電阻發(fā)熱來(lái)實(shí)施焊接。工件易變形，而激光焊只從單

37、邊進(jìn)行。2）氬弧焊：使用非消耗電極與保護(hù)氣體，常用來(lái)焊接薄工件，但焊接速度較慢，且熱輸入比激光焊大很多，易產(chǎn)生變形。3）等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會(huì)產(chǎn)生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。4）電子束焊：它高能密度電子流撞擊工件，在工件表面很小密積內(nèi)產(chǎn)生巨大的熱，形成“小孔”效應(yīng)，從而實(shí)施深熔焊接?？恳皇铀匐娮邮傅闹饕秉c(diǎn)是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室

38、的限制。,2024/3/16,82,焊接設(shè)備的投資花費(fèi),電阻焊焊接基本原理,焊件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法稱為電阻焊 。優(yōu)點(diǎn)， 1）電阻焊具有生產(chǎn)效率高； 2）焊接質(zhì)量好； 3）低成本、節(jié)省材料； 4）勞動(dòng)條件較好； 5)易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等各工業(yè)部門，是重要的焊接工藝之一。 和電弧焊接相比

39、較：1）熱效率高，2）焊縫致密、沒(méi)有疏松和裂紋等缺陷。,2024/3/16,85,通過(guò)激光束熔化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的連接；相對(duì)于其他激光加工工藝，激光焊接需要的能量密度更大。近年來(lái)，高功率、高質(zhì)量光束激光器的發(fā)展，使得激光焊接成為工業(yè)應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)。 激光焊接過(guò)程中會(huì)形成穩(wěn)定的等離子體（耀眼的藍(lán)色，但是在激光切割中，等離子體被徹底壓制，并隨熔融金屬材料向下移動(dòng)。,常用焊接激光器及應(yīng)用,光斑一致性好，紅光與圓形光斑同心，能量輸出效果最佳

40、，穩(wěn)定。,焊接應(yīng)用實(shí)例：（1）標(biāo)準(zhǔn)YAG脈沖激光器對(duì)常用金屬焊接—不銹鋼、碳鋼、鋁材等，焊接厚度可達(dá)到2mm，經(jīng)過(guò)打壓測(cè)試，能夠承受25Kg以上的壓力。（2）手機(jī)通信電池應(yīng)用，0.3mm殼厚焊接強(qiáng)度測(cè)試，抗壓10Kg以上；（3）汽車動(dòng)力電源應(yīng)用，0.8mm殼厚焊接強(qiáng)度測(cè)試，抗壓25Kg以上；（4）用大功率連續(xù)激光器對(duì)較厚材料進(jìn)行焊接，如碳鋼、不銹鋼可焊厚度可達(dá)到9mm—13mm；（5）5mm厚碳鋼管材焊接，抗拉伸測(cè)試，焊縫能夠

41、承受400兆帕以上壓力，最后母材斷裂，激光焊接焊縫完好。,激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì),可將入熱量降到最低溫度，熱影響范圍小，熱變形最低,降低厚板焊接所需時(shí)間，省填料金屬,無(wú)需電極，無(wú)需接觸；損耗及變形可降至最低,激光束易聚焦,可再引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)柔性加工(其他焊接易受空間限制無(wú)法發(fā)揮),工件可放置在任意條件（如真空或內(nèi)部氣體環(huán)境）,激光束可聚集在很小區(qū)域，可焊接小型且間隔很近部件,可焊材質(zhì)種類多，亦可異質(zhì)焊接，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,不受磁場(chǎng)影響，無(wú)需真

42、空；可切換裝置將激光送達(dá)多個(gè)工作站,激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用,制造業(yè),汽車工業(yè),電子工業(yè),生物醫(yī)學(xué),2024/3/16,93,2、激光焊接原理及物理機(jī)制,按焊接特性分：熱傳導(dǎo)焊、深熔焊按光束特性分：脈沖激光焊、連續(xù)激光焊；按工藝方法分：純激光焊、激光填絲焊、激光釬焊、雙光束激光焊、激光復(fù)合焊等。,激光焊接技術(shù)分類：,2024/3/16,94,激光熱傳導(dǎo)焊,,激光輻射到材料表面的功率密度較低（≤106 W/cm2），光能量只能被材料表層

43、吸收，然后依靠熱傳導(dǎo)效應(yīng)傳輸熱量。,2024/3/16,95,熱導(dǎo)焊穿透深度,式中，Δz為激光在材料表層的穿透深度(通常只有幾十微米)，α為材料對(duì)激光的吸收系數(shù)，I0為材料表面吸收的光強(qiáng)，I為光入射至Δz處的光強(qiáng)。一旦表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)，材料表面熔化，只要表面溫度不超過(guò)沸點(diǎn)，熔化波向材料內(nèi)部穩(wěn)定傳播，其傳播速度與激光功率密度和材料的液相、固相熱力學(xué)參數(shù)有關(guān)。,2024/3/16,96,熱傳導(dǎo)焊接只適合薄板激光焊接,當(dāng)板材厚度低于0.3m

44、m時(shí)，熱傳導(dǎo)焊接可以獲得很高的焊接速度，有一定的工業(yè)價(jià)值；當(dāng)板材厚度高于2mm，則激光熱傳導(dǎo)焊接的速度就太低，產(chǎn)業(yè)界無(wú)法接受；熱傳導(dǎo)激光焊接時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料比系數(shù)低的材料，焊接速度要快得多；,激光熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)主要用于薄壁零部件的連接，如細(xì)金屬絲（線），薄壁金屬板材和管材。,2024/3/16,97,激光深熔焊,激光功率密度達(dá)到106～108 W/cm2，能夠迅速汽化材料并在材料內(nèi)部形成小孔，并依靠小孔的移動(dòng)形成焊縫。,2

45、024/3/16,98,激光焊接能量傳輸比例,激光焊接過(guò)程中： 40－50％的能量由于熱傳導(dǎo)損失掉，并導(dǎo)致 熱影響區(qū)的產(chǎn)生； 20－25％的能量消耗于潛熱相變； 25－30％的能量消耗于焊縫溫升。 具體還取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)！,2024/3/16,99,3、工藝特性及參數(shù)調(diào)節(jié),輸出方式（脈沖或連續(xù)）、光斑聚焦尺寸、光束模式、偏振狀態(tài)、波長(zhǎng),激光功率、聚焦位置，

46、焊接速度、焊接結(jié)構(gòu)與方式，拼接間隙,氣體成分保護(hù)方式氣壓與流量,材料成分材料厚度,主要工藝參數(shù)（1）激光束特點(diǎn)（光源）（2）激光束調(diào)節(jié)參數(shù)及接頭 形式（3）保護(hù)氣體類型（4）材料特性,2024/3/16,2024/3/16,101,脈沖激光焊接時(shí)的工藝參數(shù)范圍比較,脈寬越大，越有利于脈沖激光焊接,2024/3/16,102,激光波長(zhǎng)對(duì)焊接過(guò)程的影響,對(duì)激光熱傳導(dǎo)焊接來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)的影響非常大。短波長(zhǎng)的

47、吸收率高，焊接深度也高。,波長(zhǎng)對(duì)激光深熔焊接過(guò)程也有重要影響，主要表現(xiàn)為小孔外光致等離子對(duì)激光束能量的吸收：α≈n2 λ2 T3/2n-氣體密度，λ–激光波長(zhǎng)，T-等離子溫度,α≈n2 λ2 T3/2（1）對(duì)于短波長(zhǎng)激光而言，等離子體云對(duì)激光束的吸收程度較低；Nd:YAG激光焊接時(shí)等離子體對(duì)激光束的吸收率較低，因此可以采用較為便宜的氣體。（2）對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光而言(CO2激光器)，為了減少等離子體對(duì)激光能量的吸收，可采

48、用電離度較大的氣體（He）,一旦有效抑制了小孔外等離子體云的屏蔽效應(yīng)，激光波長(zhǎng)對(duì)于深熔焊接來(lái)說(shuō)直接影響不大，因?yàn)樾】仔?yīng)作為黑體全部吸收入射激光的能量！,2024/3/16,103,材料特性對(duì)激光焊接的影響,反射率：電阻率越小，材料反射率越大，如Cu、Al等金屬的反射率很高，不利于激光焊接。 此外，材料表面溫度對(duì)材料反射率也有一定影響：溫度越高，反射率越低。,2024/3/16,104,聚焦位置對(duì)焊接接頭主要參數(shù)的影

49、響,最小光斑的影響：足夠的功率密度才能形成小孔效應(yīng)。厚板激光焊接通常采用負(fù)離焦0.5-1.5mm）,2024/3/16,105,保護(hù)氣體對(duì)激光焊接的影響,目的：抑制等離子體屏蔽作用、提高焊接效率焊接中常用氣體及其特性，選用時(shí)要同時(shí)考慮實(shí)際效果和經(jīng)濟(jì)性,2024/3/16,106,氣體保護(hù)方式,同軸噴嘴旁軸噴嘴,,,2024/3/16,107,激光焊縫質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo),焊縫成形質(zhì)量：宏觀形貌（未熔透、咬邊、未填滿、過(guò)燒

50、等）、微觀冶金缺陷（氣孔、裂紋等）；微觀組織：晶粒大小、組織形態(tài)及物相結(jié)構(gòu)、合金成分、熱影響區(qū)寬度及組織等；焊縫力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊； 韌性、塑性、硬度等。,2024/3/16,108,激光焊接接頭常見(jiàn)缺陷,除了這些成形缺陷外，最常見(jiàn)且影響接頭力學(xué)性能的缺陷主要為氣孔和裂紋！,2024/3/16,109,5 激光焊接加工系統(tǒng)組成,涉及光學(xué)、機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的集成，主要包括： 激光器及其水冷

51、系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng) 焊縫跟蹤及焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)裝置 工裝夾具,帶走激光器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的大量熱量,控制工件或激光束移動(dòng),焊前確定焊接路徑和工藝參數(shù)，焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，以保證焊縫質(zhì)量,保證焊接精度、抑制焊接過(guò)程中的變形,2024/3/16,110,激光加工平臺(tái)實(shí)例,,2024/3/16,,各種電池的激光焊接焊接部位,2024/3/1

52、6,CATL Confidential,電池焊接：電阻點(diǎn)焊接與激光焊,電池點(diǎn)焊機(jī),電阻焊：工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。激光焊：利用激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。,電池激光焊機(jī),CATL Confidential,方形動(dòng)力電芯成組,2024/3/16,寶馬I3,方形

53、動(dòng)力電池頂蓋自動(dòng)激光焊接線,2024/3/16,2024/3/16,115,新型激光焊接技術(shù),,2024/3/16,116,雙光束激光焊接,2024/3/16,117,雙光束激光復(fù)合類型,（1）激光束－激光束之間復(fù)合；（2）CO2－復(fù)合；（3）Nd:YAG脈沖激光－脈YAG激光復(fù)合；,2024/3/16,118,激光——電場(chǎng)（磁場(chǎng)）復(fù)合焊接,主要是通過(guò)外場(chǎng)來(lái)消除等離子屏蔽效應(yīng)，以達(dá)到提高焊接熔深或焊接效率的目的。,2024/3/16

54、,119,激光-電弧復(fù)合焊接,單純激光焊接存在以下問(wèn)題： 鋁合金等高反射率材料的焊接存在相當(dāng)難度； 焊接冶金缺陷多，接頭韌性不高； 裝夾精度要求高。1978年，英國(guó)Steen 教授首次提出復(fù)合焊接的概念，研究表明激光－電弧復(fù)合焊接優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用前景廣闊，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的激光先進(jìn)焊接技術(shù)。,2024/3/16,120,低碳鋼激光－電弧復(fù)合焊接,,,激光－MIG復(fù)合焊接： 焊接熔深提

55、高60％，焊接速度提高170％激光－TIG復(fù)合焊接：焊接熔深提高44％,激光焊接 電弧焊接 復(fù)合焊接,2024/3/16,121,激光－電弧復(fù)合焊接焊縫形貌,,,,2024年3月16日,122,激光－電弧復(fù)合焊接系統(tǒng),TIG焊機(jī),MIG焊機(jī),,,,,8軸聯(lián)動(dòng) 6 kW （10kW）光纖激光器加工平臺(tái)，焊接特性更為優(yōu)異，能夠開(kāi)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的3D焊接技術(shù)研究。,,第五章 激光清洗,wps.cn/mob

56、an,Company Logo,Catalogue,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的原理,脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過(guò)程依賴于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強(qiáng)度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導(dǎo)致的光物理反應(yīng)。其物理原理可概括如下：a)激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收。b)大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩(wěn)定氣體），產(chǎn)生沖擊波。c)沖擊波使污染物變成碎片

57、并被剔除。d)光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。e)實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時(shí)，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。,2024/3/16,,,,,2024/3/16,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的原理,,等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個(gè)閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個(gè)閾值效應(yīng)對(duì)在保證基底材料安全的情況下進(jìn)行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個(gè)閾值。如果能量密

58、度超過(guò)這一閾值，則基底材料將被破壞。為在保證基底材料安全的前提下進(jìn)行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個(gè)閾值之間。 每個(gè)激光脈沖去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個(gè)脈沖進(jìn)行清洗。將表面清洗干凈所需要的脈沖數(shù)量取決于表面污染程度。由兩個(gè)閾值產(chǎn)生的一個(gè)重要結(jié)果是清洗的自控性。能量密度高于第一閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到達(dá)到基底材料為止。然而，因?yàn)槠淠芰棵芏鹊陀诨撞牧系钠茐拈撝?，所?/p>

59、基底不會(huì)受到破壞,2024/3/16,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的方法,①激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射去污；②激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光輻射去污；③激光+惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時(shí)，用惰性氣體吹向基體表面，當(dāng)污物從表面剝離后會(huì)立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化；④運(yùn)用激光使污垢松散后，再用非腐蝕性化學(xué)方法清洗。最常用的是前 3種方法。第4種方

60、法僅見(jiàn)于石質(zhì)文物的清洗中。,Company Logo,激光清洗的優(yōu)點(diǎn),2．1　激光清洗是一種”綠色”的清洗方法，不需使用任何化學(xué)藥劑和清洗液，清洗下來(lái)的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易于存放，可回收，可以輕易解決化學(xué)清洗帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題；2．2　傳統(tǒng)的清洗方法往往是接觸式清洗，對(duì)清洗物體表面有機(jī)械作用力，損傷物體的表面或者清洗的介質(zhì)附著于被清洗物體的表面，無(wú)法去除，產(chǎn)生二次污染，激光清洗的無(wú)研磨和非接觸性使這些問(wèn)題迎刃而解；2．

61、3　激光可以通過(guò)光纖傳輸，與機(jī)器手和機(jī)器人相配合，方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，能清洗傳統(tǒng)方法不易達(dá)到的部位，這在一些危險(xiǎn)的場(chǎng)所使用可以確保人員的安全；2．4　激光清洗能夠清除各種材料表面的各種類型的污染物，達(dá)到常規(guī)清洗無(wú)法達(dá)到的清潔度。而且還可以在不損傷材料表面的情況下有選擇性地清洗材料表面的污染物；2．5　激光清洗效率高，節(jié)省時(shí)間；2．6　購(gòu)買激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，運(yùn)行成本低，以Quantel

62、公司的LASERLASTE為例，每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用僅為1歐元左右，更重要的是可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的應(yīng)用,4.1模具的清洗4.2武器裝備的清洗4.3飛機(jī)舊漆的清除4.4樓宇外墻的清洗4.5電子工業(yè)中的清洗4.6精密機(jī)械工業(yè)中的精確去酯清洗4.7核電站反應(yīng)堆內(nèi)管道清洗,2024/3/16,激光清洗的優(yōu)點(diǎn)及主要應(yīng)用：激光清洗不會(huì)破壞基底： ●石雕清洗無(wú)研磨：

63、 ●塑料模具清洗、洗橡膠模具清洗、玻璃模具清洗非接觸無(wú)熱效應(yīng)： ●膠合前的表面預(yù)處理、加工前表面預(yù)處理激光清洗不會(huì)產(chǎn)生污染 : ●金屬表面氧化層去除不產(chǎn)生附加物質(zhì)： ●表面去脂無(wú)需溶劑垃圾量極少 ●電路板清洗無(wú)光化學(xué)反應(yīng) ●各種物品表面清洗,2024/3/16,2024/3/16,2024/3