激光焊接基础[哈工大讲义]

激光焊接基础
李俐群
哈尔滨工业大学
现代焊接生产技术国家重点实验室


你应该知道：
1. 激光可以进行哪些加工？ 2. 常用的工业激光器有哪些？各有什么样的加工特点？ 3. 激光深熔焊的主要物理特征是什么？ 4. 激光焊接的主要问题是什么？


激光加工技术在工业中 的应用


工业激光加工技术
焊接
切割
成形
快速成形
熔覆修复 表面硬化 打标


激光加工技术应用概述
各种加工方法的适用范围


为什么要采用激光


为什么要采用激光
自动化程度高


为什么要采用激光
高度的灵活性


为什么要采用激光
高精度


为什么要采用激光
生产率高


为什么要采用激光
革新传统加工方式


为什么要采用激光
革新传统加工方式


世界激光加工技术的发展现状
工业激光器的市场分布
激光器制造商： 美国：PRC PRAMA 德国：TRUMPF （HAAS） ROFIN-SINAR IPG 英国：LUMONICS 中国：大族、楚天


世界激光加工技术的发展现状
各种加工方法的应用比例
打孔 其它 9% 雕刻 3% 12% 微处理 14% 打标 24%
切割 24%
焊接 14%


激光在汽车加工中的应用


激光束的基本物理特性


光束的模式
通常把光波场的空间分布分解为沿传播方向的分 布和垂直于传播方向的横截面内的分布，分别称为纵 模和横模。

光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律， 对激光加工影响极大。

光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关 系很小。

光束的模式
气体激光束的模式
CO2激光通常用TEMmn 表示横模的光场分布，TEM 是横电磁波“Transverse Electromagnetic Wave”的缩 写，m、n为正整数。

横模可 以是轴对称的，也可以是对 光轴旋转对称的。

气体激光的光能横向分布


光束的模式
光强
气体激光束的模式
不论是轴对称还是旋转对称， 其 TEM00模是一致的，称为基模。

一束沿方向传播的基模光束的光 强可表示为：
光斑半径
⎡ 2( x 2 + y 2 ) ⎤ 2P exp ⎢ − I ( x, y , z ) = 2 πω ( z ) ω 2 ( z) ⎥ ⎣ ⎦
TEM00


光束的模式
气体激光束的模式
TEM01
TEM00


光束的模式
气体激光束的模式


光束的模式
固体激光束的模式
YAG等固体激光器，其光能的空间分布则远为复杂，不能用简单 的数学公式描述。

因为固体激光棒不可避免地存在很多缺陷，折射率不均匀，在光泵 作用下受热而产生光程变化和双折射等。

固体激光的光能横向分布


光束质量评定
(1) 光束传播系数K、光束衍射极限倍数M，定义如下：
1 λ 1 K= 2 = ⋅ M π w0 ⋅ Θ0
通常K值范围：0.1～1， M2范围：1～10 K或M2为1， 光束质量实际达到衍射极限。

(2)光束参数积(BPP-Beam Parameter Product)
决定激光加工适用范围
光束半径
BPP=wo ⋅ Θ0 =
λ
K ⋅π
=
M ⋅λ
2
ϖ ( z)
激光束腰
π
ϖ0
θ∞
远场发散角 光轴
z0


光束质量评定
光束参数积与激光功率决定加工范围


光束的聚焦特性
瑞利长度
Θ0
Θ0
焦点附近，光束横截 面积为焦点处2倍的两个 光束横截面之间的距离称 为瑞利长度或焦深。

瑞利长度对焊接质量、 焊接过程稳定性有重要影 响。

2
激光束的反射、透射聚焦


工业激光器特点与应用


激光产生的基本原理
工作物质 → 激励、受激辐射 → 自激振荡增益 ↑ 外界能量注入（泵浦） ↑ 光学谐振腔


工业激光器种类
打标、焊接、切割 波长10.6um
打标、焊接、切割 波长1.06um
钎焊、焊接、表面处理 波长 0.7-0.9um
光纤激光器
焊接，切割 波长 1.07um


工业激光器种类
主要的固体激光器


工业激光器种类
不同激光器的光束质量比较


工业激光器种类
不同激光器的性能比较
激光器类型
功率(W) 波长(µm) 光束质量(mm. mrad) 光斑直径(mm) 光束模式 光电转换效率 传输光路 铝合金反射率 激励原理
光纤激光器
50,000 1.07 2 0.15 多模 25~30% 光纤 小
盘式YAG激 光器
10,000 1.06 8 0.15 多模 25~30% 光纤 小
棒式YAG激 光器
8,000 1.06 12 0.45 多模 3% 光纤 小
CO2激光器
50,000 10.6 3.75 0.16 单模 7% 飞行光路 大
国防科技工业焊接自动化技术研究应用中心


激光器的应用特点
CO2激光器
波长10.6um, 反射镜传输，光束质量高，功率大。

激光器的应用特点
CO2激光器的应用
激光涂覆
切割工具表面涂覆 CrN, TiN, TiCN, 提高 抗磨损性能。

激光焊接
CO2激光焊接
三维激光切割


激光器的应用特点
CO2激光器的应用
功率：2kW 焦距：150mm 材料：齿轮钢 深度：2.5mm 速度：3.5m/min
功率：1.3kW 焦距：150mm 材料：齿轮钢 深度：1.5mm 速度：5.5m/min
功率：2kW 焦距：150mm 材料：不锈钢 深度：1.5mm 速度：7m/min
功率：3.5kW 焦距：200mm 材料：不锈钢 深度：1.1mm 速度：8m/min
激光焊接汽车组合齿轮
激光焊接不锈钢传感器


激光器的应用特点
CO2激光器的应用
切割多层针织材料
波长通常在10um左右，因此采用 CO2激光器，激光能量、脉冲频率、 气流速度角度、切割速度等都有较 大影响。

激光器的应用特点
CO2激光器的应用
精密切割石英玻璃
无裂纹产生、切口光滑、无需后处理。

激光器的应用特点
CO2激光器的应用
激光涂覆过程在线检测 激光涂覆修复航空发动机
Ti6Al4V叶片，无气孔、裂 纹，无氧化，变形小 不锈钢涂覆过程温度传感 器实时检测热辐射温度。

激光熔覆制作铝零件
AlSi25和AlSi10Mg, 无裂 纹。

激光器的应用特点
YAG激光器的应用
波长1.06um, 光纤传输，灵活性大，发展快， 尤其适合焊接高反射率材料。

分为棒式、盘式两种；盘式激光器的光束质量 更好。

激光器的应用特点
YAG激光器的应用
6-轴机器人YAG激光焊接汽车顶棚（VOLVO）


激光器的应用特点
YAG激光器的应用
YAG激光焊接铜－铝
铝0.4mm，铜1mm，激光功率2kW，铝 铜焊缝容易出现脆化的晶间相，产生裂纹， 适当改进焊接工艺，可以避免裂纹的产生。

最大焊速12m/min,焊缝宽度>100um。

激光器的应用特点
扫描式焊接


激光器的应用特点
扫描式焊接
棒式YAG激光
盘式YAG激光


激光器的应用特点
光纤激光器的应用
波长1.07um, 光纤传输，灵活性大，光束质量非常 好，尤其适合焊接高反射率材料、大厚板。

激光器的应用特点
盘式激光与光纤激光的比较
盘式 激光
光纤 激光


激光器的应用特点
CO2激光、电子束、光纤激光的比较


激光器的应用特点
半导体激光器的应用
波长860~900nm左右, 光纤传输， 体积小，光斑形状多 样，光速质量不高。

激光器的应用特点
与常规激光器增加能量方法的不同之处


激光器的应用特点


激光器的应用特点
半导体激光器的应用
IR Diode
Housing
Lid with push buttons
Oil Tank
Tank Lid
Welding of an electronic key
Diode Power Welding speed Focal diameter 20 - 60 W 3 - 10 m/min 1 mm
Welding of an oil tank (GFK)
Diode power Welding speed Focal diameter ca. 60 W 1 - 2 m/min 2 mm


激光器的应用特点
半导体激光器的应用
高功率半导体激光热导焊、深熔焊
最大完成6mm厚不锈钢板的焊接，焊接特点：焊接过程有很强的蒸汽 等离子体；焊缝组织垂直于中心线结晶；焊接过程实际上是基于热导 焊过程。

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