激光焊接基础[哈工大讲义]讲解

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。