先进制造技术9激光加工技术

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三、激光焊接技术（1）
1．激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：
热导焊和深熔焊。热导焊所用激光功率密度较低（105106 W/cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后 依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。热导焊焊接模 式熔深浅，深宽比较小。深熔焊激光功率密度高（106107W/cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化 的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使 小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面 张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方
图3为应用于CO2激 光切割机的透射式聚焦系 统。图中在光束出口处装 有喷吹氧气、压缩空气或 惰性气体N2的喷嘴，用 以提高切割速度和切口的 平整光洁。工作台用抽真 空方法使薄板工件能紧贴
在台面上。
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一、激光加工系统的组成(10)
3．电气系统 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作 用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或CO2激光器 的高压直流电源）和输出方式（如连续或脉冲、重复频 率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用 CNC控制。 为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割 的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统， 它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈 来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为 ±0.05～0.005mm。
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一、激光加工系统的组成(5)
（2）气体激光器 常用的工作物质有分子激光的二氧化碳 （CO2）和离子激光的氩气（Ar），后者输出功率为25W， 它的10ns级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和 有机物的高精度微细加工。而CO2激光器的功率在连续方 式工作时可达45kW，脉冲式可达5kW，故在加工中应用 最广。 CO2气体激光器的波长为10.6μm，处于红外线领域， 因而其激光束为不可见光。它是在氦的体积分数约80％， 氮的体积分数约15％和CO2的体积分数约5％的混合气体 中进行放电形成粒子数反转的分子激光。它的能量效率通 常为5％～10％，高效装置甚至可达10％～15％。
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二、激光加工的合理工作参数 (6)
（4）辅助气体提高切割效率和切口质量 由于金属 表面的激光反射率可高达的95%，使激光能量不能有 效地射入金属表面。喷吹氧气或压缩空气能促进金属 表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。 增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可 防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃 烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用无氧空气。 当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割 厚度。 对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、 木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激 光束。
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二、激光加工的合理工作参数 (3)
（5）硬脆材料激光打孔的实用参数 用YAG激光加 工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为0.05mm时， 所用的单个脉冲的激光能量分别为0.05～1J，每秒的 脉冲数约为20个；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷， 当孔径为0.25～1.5mm时，所用单个脉冲激光能量在 5～8J，每秒的脉冲数为5～10个，脉冲宽度0.63ms， 辅助气体用空气或N2。
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三、激光焊接技术（5）
2．激光焊接设备
激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和 控制系统组成。 (1)激光器 用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和 YAG固体激光器两种。两者优缺点比较如下表所示。
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三、激光焊接技术（6）
激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两 方面考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目 前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在 1.5～6kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达 50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率 有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。 但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器 方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投 入市场。由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于 金属表面吸收，可以用光纤传输使导光系统大为简化。
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三、激光焊接技术（8）
(3)激光焊接机 它的作用是实现 光束与工件之间的 相对运动，完成激 光焊接，分焊接专 机和通用焊接机两 种。后者常采用数 控系统，有直角坐 标二维、三维焊接 机或关节型激光焊 接机器人。
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一、激光加工系统的组成(8)
2.聚焦系统 其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工 件上，并具有调节焦点位置和观察显示的功能。CO2 激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红 外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面反射需 镀金全反射镜。
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一、激光加工系统的组成(9)
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二、激光加工的合理工作参数 (5)
（2）切缝宽度 一般在0.5mm左右，它与被切材料
性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光 束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程 度大致与对打孔直径的影响相似。切割精度可达 ±0.02～0.01mm。 （3）切割厚度 它主要取决于激光输出功率。切割 碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为9mm， 1.5kW级为12mm，2.5kW级为19mm；2.5kw级切 割不锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割 则需配置3kw以上的高功率激光器。
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三、激光焊接技术（2）
方向移动时，小孔前方 熔化的金属绕过小孔流 向后方，凝固后形成焊 缝（图1）。这种焊接 模式熔深大，深宽比也 大。在机械制造领域， 除了那些微薄零件之外， 一般应选用深熔焊。
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三、激光焊接技术（3）
深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光 作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子 体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此 一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光 能量，并影响光束的聚焦效果，对焊接不利。通常可 辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离 子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和 电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关 系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行 监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。
一、激光加工系统的组成(2)
YAG是固体激光中能发出最大功率的离子激光。YAG的 结晶母材是由钇、铝和石榴石构成的，其中微量的钕离子起 激光作用。YAG的激光波长为1.06μm，相当于二氧化碳气 体激光波长的1/10。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波 的情况下应用，波长短、聚光性好，适于精密加工特别是在 脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。 由于聚光性好，可通过光导纤维传输能量，适用于内腔加工 等特定切合，其能量效率不及CO2气体激光源，最多不超过 3％，目前产品的输出功率大多在600W以下，最大已达 4kW。
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二、激光加工的合理工作参数 (4)
2．激光切割的合理工作参数 除精细切割如切割硅片可用YAG固体激光器外，激 光切割一般采用CO2以激光器，其工作参数主要有切割 速度、切缝宽度和切割厚度。 （1）激光切割速度 它随激光功率和喷气压力增大 而增加，而随被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚 度碳素钢钢板的速度达到2.5m／min，而厚度为 12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的胶 合板为4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速 度则达27m/min。
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一、激光加工系统的组成 (4)
聚光器罩在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效 地、均匀地集中到工作物质上。聚光器中常用的是圆 柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的 聚光器。其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内 壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光 效率达80％。 谐振腔是光学反馈元件，它的作用是为光放大介质 产生光振荡。其类型对激光输出能量和发散角有很大 影响，常用的平行平面谐振腔由图1中反射镜1与4组 成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，/14
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三、激光焊接技术（7）
可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将 获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。 (2) 导光和聚焦系统 导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚 焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚 焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要 的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能 会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦 距缩短)；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质 量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
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二、激光加工的合理工作参数 (1)
1．激光打孔尺寸及其精度的控制
（1）孔径尺寸控制 采用小的发散角的微光器 （0.001～0.003rad），缩短焦距或降低输出能量可获 得小的孔径。对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径 0.01～1mm的微小孔加工，最小孔径可达0.001mm。 （2）孔的深度控制 提高激光器输出能量，采用合理 的脉冲宽度（材料的导热性越好宜取越短的脉冲宽），应 用基模模式（光强呈高斯分布的单模）可获得大的孔深。 对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距 （15～30mm）的物镜打孔。
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一、激光加工系统的组成(6)
CO2激光器的工作原理图 如图2所示。 气体激光的激励虽也可用 光泵的方法，但大多用直流 放电（图2）或高频放电的方 式。 谐振腔由放电管两端的镜 面构成，一端是镀金凹镜， 另一端是锗或砷化镓平镜， 它们也兼作密封之用。