激光焊概述

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激光焊
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三、激光焊的应用
近年来，多种新型高功率激光器在工业生产中陆续出现，使激光焊 接技术对传统焊接工艺带来了巨大的冲击，激光焊接技术也开始朝着 更加多样化、实用化及高效化的方向发展。如激光一钎焊、激光一电 弧复合焊、激光一压焊等，进一步拓宽了激光焊的应用范围。
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激光焊 1.激光的反射与吸收
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被反射
金属自由电子密度越大，即电导率越大，对激光的反射率越 高，金、银、铜、铝及其合金对激光的反射比其他金属材料 要大得多。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用。
被焊件吸收
激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用 吸收率来表征。
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传热焊
功率密度小于 105w／cm2
深熔焊
小孔焊，功率密度 大于 106w／cm2
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根据实际作用在工件上的功率密度
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传热焊
激光光斑的功率密度小于 105w／cm2，焊接时，焊件表面将 所吸收的激光能转变为热能后，其表面温度升高而熔化，然 后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区迅速扩大， 随后冷却凝固形成焊点或焊缝，其熔池形状近似为半球形。 这种焊接机理称为传热焊，焊接过程类似于钨极氩弧焊. 传热焊的特点：激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被 金属表面所反射，激光的吸收率较低，熔深浅，焊点小，主 要用于厚度小于1mm的薄板，小零件的精密焊接加工。 激光光斑的功率密度大于106w／cm2，激光束照射金属表面其温度 在极短的时间内（10-6～10-8s）升高到沸点，使金属熔化和汽化， 金属蒸气对熔池的液态金属产生一个附加压力，在激光光斑下产生 一个小凹坑。激光束在小孔底部继续加热，使小坑进一步加深，最 后形成小孔；另一方面，向坑外逸出的蒸气将熔化的金属挤向熔池 四周。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面 张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而 实现焊接，因此称之为激光深熔焊。
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二、激光焊的分类
按激光 对工件 的作用 方式 脉冲激光焊 连续激光焊
输入到工件上的能量是断续的、脉动的，每个 激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。
在焊接过程中形成一条连续的焊缝。
根据实 际作用 在工件 上的功 率密度
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激光焊 2.激光焊的缺点： 1）激光焊难以焊接反射率较高的金属。 2）对焊件加工、组装、定位要求相对较高。 3）设备一次性投资大。
激光焊接的有力竞争对象是电子束焊接。与电子束焊相比，激 光焊不需真空室，工件尺寸和形状等可以不受限制并易于实现加 工自动化，不产生X射线，观察及对中方便。但电子束焊接比激光 焊接能够获得更大的熔深，显然电子束焊对于厚板焊接更为有利。 近年来，现代激光焊接技术开始向厚大板、高适应性、高效率和 低成本的方向发展。随着新材料、新结构的出现，激光焊接技术 将逐步取代一些传统的焊接工艺，在工业生产中占据重要地位。
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第二章 激光焊 教学目标： 1. 了解电子束焊接的原理、工艺特点、分类 及应用范围； 2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与 安全防护。
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第一节 激光焊概述
激光焊（Laser Beam Welding，LBW）-----是利 用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的 焊接方法。
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பைடு நூலகம்
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(三）光束检测器 光束检测器主要用于检测激光器的输出功率或输出能 量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。 （四）气源和电源 目前的CO2激光器采用CO2、N2、He(或Ar)混合气体作 为工作介质，其体积配比为7：33：60。He、N2均为辅助 气体，混合后的气体可提高输出功率5～10倍。但He气价 格昂贵，选用时应考虑其成本。为了保证激光器稳定运行， 一般采用响应快、恒稳性高的电子控制电源。 （五）工作台和控制系统 伺服电动机驱动的工作台可供安放工件实现激光焊接或 切割。激光焊的控制系统多采用数控系统。
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激光焊 一、激光焊原理及特点 （一）激光焊的原理
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激光---指激光活性物质或称工作物质受到激励，产 生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、 光亮度高的光束。
激光经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于 0.01mm 、 功率密度高达106～1012w／cm2的能束，可用作焊接、切 割及材料表面处理的热源。 激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这 个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现 为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。
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4．焊缝的形成 激光焊过程中，工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的表 面张力使“小孔” 前沿的熔化金属沿某一角度得到加速，在“小孔” 后面的近表面处形成如图2－2所示的熔流。此后，“小孔” 后方液态 金属由于散热的结果，温度迅速降低，液态金属很快凝固，形成连续 的焊缝。
与传统的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透力强、精 度高、适应性强等优点。作为现代高科技产物的激光焊，已成为现代工 业发展必不可少的加工工艺。随着航空航天、电子、汽车制造、医疗及 核工业的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，对材料性能的要求 不断提高，对加工精度和接头质量的要求日益严格，同时企业对加工方 法的生产效率、工作环境的要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足 要求，以激光束为代表的高能束流焊接方法，日益得到重视并获得了广 泛的应用。
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激光焊接技术在汽车行业的运用
激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊 接和拼接坯板焊接上 。 拼接坯板大大降低了模具数量，增加了材料利用率，而且 可以在强度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次 冲压成型，减轻了重量，提高了精度，还使得抗腐蚀性和安 全性能都有大幅度提高，车身结构也大大简化。 采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳性都可以得 到显著改善，提高汽车的品质。 采用激光焊接几乎可以把所有不分厚度、牌号、种类、等 级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车 设计的灵
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激光焊 （二）光束传输及聚焦系统 光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光 束传输并聚焦到工件上。
反射镜用于改变光束的方向，球 面反射镜或透镜用来聚焦。在固 体激光器中，常用光学玻璃制造 反射镜和透镜。而对于 CO2激光 焊设备，由于激光波长较长，常 用钢或反射率高的金属制造反射 镜，用GaAs（砷化镓）或 ZnSe(硒化锌)制造透镜。透射式 聚焦用于中、小功率的激光加工 设备，而反射式聚焦用于大功率 激光加工设备。
可焊材料多
可达性好
可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位。YAG激光 （钇铝石榴石固体激光器）和半导体激光可通过光导纤维传输，可达 性好，特别适合于微型零件和远距离的焊接。 可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可 焊接置于玻璃密封容器内的被铍合金等剧毒材料。
不要求与焊缝区直接接触
激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。
金属表面状态
激光的功率密度
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2．材料的加热
入射
光子与电子发生非弹性碰撞
激光光子
金属晶体
电子获得能量
与其他电子碰撞以及与晶格的互相作用
电子由低能级跃迁到高能级
光子的能量转化为晶格的热振动能
材料温度升高，材料表面及内部温度改变。
金属内部电子间互相碰撞时，每个电子两次碰撞间的平均时间间 隔为 10-13s的数量级。
深熔焊
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光斑功率密度很大时，所产生的小孔将贯穿整个板 厚，形成深穿透焊缝（或焊点）。在连续激光焊时， 小孔随着光束相对于工件而沿焊接方向前进。金属在 小孔前方熔化，随后绕过小孔流向后方，冷却凝固形 成焊缝。 深熔焊的激光束可深入到焊件内部，形成深宽比较 大的焊缝。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激 光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到部分 激光，这种方法被称为激光小孔效应焊，即穿透焊。 为了焊透，需要一定的激光功率，通常每焊透1mm的 板厚，需要激光功率 1kw。
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（二）激光焊的特点 1.优点
功率密度高
焊缝深宽比大
聚焦后的激光束功率密度可达 105～107w/cm2，甚至更高，加热速 度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊， 特别适于精密焊接和微细焊接。 可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12：1，焊 接厚件时可不开坡口一次成形。 适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的 材料以及热物理性能、尺寸和体积差能殊的工件间焊接；也可用于 非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。
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YAG（钇铝石榴石）
激光焊
焊接与切割用的激光器主要是固体激光器和 CO2气体激光 器。极有发展前途的高功率半导体二极管激光器，随着其可 靠性和使用寿命的提高及价格的降低，在某些焊接领域将替 代YAG（钇铝石榴石）固体激光器和CO2气体激光器。
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3．材料的熔化及汽化 激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约 为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐 射区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。激光焊时，材 料达到熔点所需的时间为微秒级。脉冲激光焊时，当材料表面吸收 的功率密度为105w／cm2时，达到沸点的时间为几毫秒。当功率密 度大于106w／cm2时，被焊材料会产生急剧的蒸发。 在连续激光深熔焊接时，正是由于蒸发，蒸 气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面 张力以及液体金属静压力而形成“小孔”。形成的 “小孔”类似于“黑洞”，它有助于对光束能量的吸 收。另外，激光束射入小孔中时，显示出“壁 聚焦效应”。由于激光束聚焦后不是平行光束， 与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔 壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全 吸收。
奥迪A8的激光焊接
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第二节 激光焊设备与焊接工艺 一、激光焊设备
激光器
光束传输 聚焦系统
焊枪 工作台 电源控制装置 气源 水源 操作盘 数控装置
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（一）激光器
激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激 光焊接设备的核心部分。 根据激光器中工作物质的形态不同：
固体激光器
由激光工作物质（红宝石、YAG或钛玻璃棒）、聚光器、谐振 （全反射镜和输出窗口）、泵灯、电源及控制装置组成
。
液体激光器
气体激光器 半导体激光器
常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的 染料可以获得不同波长的激光（在可见光范围内） He-Ne、CO2、Ar 激光器等，焊接和切割所用气体激光器大多 是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。 常用的有砷化钾激光器
激光焊 影响激光吸收率的因素：
激光的波长 金属的性质、温度
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激光器辐射波长越短，金属的反射系数就越小，所吸收的光能就越 多。 金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻 率的增加而增大。室温时材料对激光的吸收率仅为10％ 以下，而在熔点以上吸收率将急剧提高。 金属表面状态（氧化膜、表面粗糙度、表面涂层等）对入射激光 的吸收影响较大。金属表面存在氧化膜可显著增大对波长为 10.6μm激光的吸收率。金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。 为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂处理，应用机械或化 学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。 激光焊时，激光光斑的功率密度超过阈值（大于106W／cm2）， 光子轰击金属表面导致汽化，金属对激光的吸收率就会发生变化。 当材料没有发生汽化时，不论处于固相还是液相，其对激光的吸 收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；一旦材料出现汽化，蒸 发的金属形成等离子体，可防止剩余能量被金属反射掉。如果被 焊金属具有良好的导热性能，则会得到较大的熔深，形成小孔， 从而大幅度提高激光吸收率。