激光焊接原理及工艺应用培训课件

三能级结构
• 当粒子受外界能量激励从E1到E3，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。
四能级结构
❖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
激光焊接常见缺陷及应对措施
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： ❖焊点表面飞溅 ❖内部焊接气孔 ❖出现焊接裂纹 ❖产生焊接变形
焊点表面飞溅
焊接飞溅
• 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。
激光焊接原理及工艺应用
1、激光原理及特性
镭射=激光=LASER
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。
激光焊接原理
❖激光焊接一般分为热传导焊接和深熔焊 ❖激光功率密度为105~106w/cm2形成激光热传导焊 ❖激光功率密度为105~106w/cm2形成激光深熔焊
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：
❖能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊缝深宽比大 ❖热输入量小，热影响区小，工件残余应力和变形小 ❖非接触式焊接，光纤传输，可达性较好，自动化程度高 ❖接头设计灵活，节省原材料 ❖焊接能量可精确控制，焊接效果稳定，焊接外观好
• 跃迁
电子可以通过吸收或释放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。
• 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。
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 。
• 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。
316L不锈钢激光点焊
316L不锈钢激光点焊焊点截面
❖不锈钢使用普通方波即可获得良好的焊接效果 ❖设计焊接结构时，尽量使焊点远离非金属物质 ❖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 ❖焊接时应、保证工件的清洁度及环境的干燥度
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
❖铝合金材料反光率很高，焊接时需要较高的激光峰值 ❖脉冲点焊时易产生裂纹，影响焊接强度 ❖材料成份易产生偏析，容易产生飞溅，应选择较好的原材料 ❖一般使用大光斑和长脉宽可以取得较好的焊接效果
激光谐振腔
• 光学谐振腔
L
图2-6
M1100%
图2-7 构
M298% 谐振腔结
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 d2：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
铜及其合金的焊接
紫铜密封缝焊
黄铜插接件缝焊
❖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 ❖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
异种金属焊接
铝合金与镀金磷铜小片点焊
❖能否形成固溶体 ❖异种金属之间的负电性差异是否较大 ❖其它影响因素
❖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
❖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
泵浦灯
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。灯管内充入氙 气。
Nd：YAG激光棒
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。
铝合金与镀金磷铜小片点焊
异种金属焊接
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、化学成分和工艺措施，通常从以下几个方面考量：
❖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 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
• 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。
• 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。
激光焊接的特性
焊接方式 激光焊接 电子束焊 等离子弧焊 电阻焊 氩弧焊
钎焊
热影响区 较小 较小 一般 较大 较大 一般
各种焊接方式比较
热变形 焊缝质量 是否添加焊料
较小
较好
否
较小
较好
否
一般
一般
是
较大
一般
否
较大
一般
是
一般
一般
是
焊接环境 无要求 真空 需电极 需电极 需电极 整体加温
钢及其合金的焊接
• 稳定腔: 0< G1*G2<1 • 介稳腔: G1*G2=1或G1*G2=0 • 非稳腔: G1*G2<0或G1*G2>1
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/cm2·sr，比太阳表面 的亮度还高若干倍。 • 方向性强
激光的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hυ=E2-E1，即两个能级之间的能量差。