毕业设计（论文）-激光在汽车工业中的应用.doc

西南科技大学本科生毕业论文 southwest university of science and technology 本科毕业设计（论文）激光在汽车工业中的应用学院名称理学院专业名称光信息科学与技术学生姓名学号指导教师（姓名 职称 小3号黑体）二九年六月激光在汽车工业中的应用摘要：关键词：目录第1章 汽车工业制造工艺51.1汽车制造要遇到的各种材料和零部件51.2 制造过程61.2.1 市场调查，策划，设计61.2.2试制、测试71.2.3工厂生产71.3 汽车工业中应用到的工艺71.3.1 铸造71.3.2 锻造71.3.3 冷冲压71.3.4 焊接81.3.5 金属切削加工81.3.6 热处理91.3.7 装配91.3.8 pvc涂胶线101.4汽车试验10第2章 激光在汽车工业中的应用102.1在国外汽车工业中的应用与发展情况102.1.1车身总车与分总成的激光焊接112.1.2 不等厚激光拼焊板112.1.3汽车零部件激光焊接122.1.4 激光切割122.1.5激光打孔122.1.6 激光热处理及涂敷122.1.7 激光打标132.1.8 激光雷达132.2在国内汽车工业中的应用与发展情况132.3激光加工技术的发展趋势13第3章 激光焊接143.1激光焊接概述143.1.1激光焊接原理及分类143.1.2焊接常用的激光器及今后发展趋势153.1.3激光焊接与传统激光焊接相比优点173.2激光焊接工艺173.2.1 功率173.2.2 脉冲波形183.2.3 脉冲宽度193.2.4离焦量193.2.5脉冲频率203.2.6 焊接速度213.2.7 保护气体213.3激光与物质的相互作用223.3.1金属材料对激光反射的问题223.3.2激光焊接中的气孔22第4章 等离子体234.1 等离子体的形成234.2等离子体的分类244.3等离子体和焊接过程的相互作用244.4利用谱线相对辐射强度计算光致等离子体温度254.5利用谱线相对强度法计算等离子体电子密度254.6 等离子体的控制方法264.6.1 从根本上抑制等离子体的产生264.6.2气体控制法。264.7 相关因素对等离子体控制的影响27第1章 汽车工业制造工艺1.1汽车制造要遇到的各种材料和零部件汽车中使用的主要材料和零部件铸铁弹簧普通钢轴承特种钢泵类铜轮胎、内胎铅、锌、锡蓄电池贵金属车窗玻璃其它有色金属千斤顶等随车工具合成树脂灭火器、轮胎防滑链等玻璃电子控制系统橡胶照明设备、电线、光纤陶瓷空调、空气净化器纤维起动机、仪表类皮革收音机、盒式录音机木材cd播放器纸导航系统涂料防抱死系统化学制品安全气囊动植物油牵引力控制系统油脂类安全装备1.2 制造过程1.2.1 市场调查，策划，设计（1）调查人们需要什么样的汽车；（2）通过调查结果制定出汽车的制造方案；（3）绘制草图，制作模型，确定设计。1.2.2试制、测试根据设计试制样车。对样车进行测试，并不断改进做成完美的成品。待通过全部测试之后就可以在工厂生产了。1.2.3工厂生产汽车车身和发动机等主要部件是在汽车工厂进行生产，而其它零部件则在关联工厂进行生产。将所有零部件集中在汽车生产工厂后，在流水线上对汽车进行组装制造整车1。1.3 汽车工业中应用到的工艺1.3.1 铸造 铸造就是将高温熔化的金属浇筑入铸型的空腔之中，冷却凝固之后得到部件。在汽车制造过程中，气缸体、变速器箱体、转向器壳体、后桥壳体、制动鼓、支架等都是通过该方法制造的。制造铁件通常使用的是砂型，利用砂子与粘合剂、水等混合得到能抵御高温冲刷并不会崩塌的所需形状。制造砂型的时候不仅要考虑上下砂箱如何分开，还要考虑铁水从什么地方流入，怎么才能灌满空腔以得到好的铸件。砂型成型以后就可以浇筑，浇筑的铁水一般在1000度以上，并且熔炼的时候温度会更高。1.3.2 锻造 锻造可以分为两种方式，分别是自由锻造和模型锻造。自由锻造俗称打铁，是将金属材料放在铁砧上受到压力或冲击成形的一种加工方法。模型锻造就是将金属材料放在模具内受冲击或压力而成形的方法。汽车的模锻件的典型例子是：发动机连杆和曲轴、汽车前轴、转向节等。 与自由锻相比，模锻所制造的工件形状更复杂，尺寸更精确。1.3.3 冷冲压 冷冲压是使金属板料在冲模中受压力被切离或成形的加工方法。汽车工业中受冷冲压得到的零件主要有：发动机油底壳，制动器底板，汽车车架以及大多数车身零件。为了制造冷冲压零件，必须制备冲模。冲模通常分为2块，一块安装在压床上方并可上下滑动，另一块安装在压床下方固定不动。材料放在2块冲模之间，上下模合拢时，工序就完成了。冲压加工的生产率很高，可制造形状复杂、精度较高的零件.1.3.4 焊接 焊接就是把两块金属材料同时加热、加压而连接到一起的方法。在汽车工业中最常用的焊接方法就是电阻点焊，主要用在车身总车、地板、车门、侧位、后围、前桥和小零部件等。2块车身零件焊接时，其边缘每隔50100甽焊接一个点，使2零件形成不连续的多点连接。焊好整个轿车车身，通常需要上千个焊点。1.3.5 金属切削加工金属切削加工是将金属毛坯逐层切削；得到所需要的形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法。主要分钳工和机械加工两种方法。钳工就是工人手工进行切削加工，操作灵活方便，在装配和修理中广泛引用。而机械加工则是借助机床完成的，包括：车、刨、铣、钻和磨等方法。 (1)车削：车削是在车床上用车刀加工工件的工艺过程。使用不同的车刀或其他刀具，可以加工各种回转表面，如内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、沟 槽、端面和成形面等，汽车的许多轴类零件以及齿轮毛坯都是在车床上加工的。 （2)刨削：刨削是在刨床用刨刀加工工件的工艺过程。主要用来加工平面(包括水平向、垂直面和斜面)，也广泛地用于加工直槽，如直角槽、燕尾槽和t形槽等、如果进行适当的调整和增加某些附件，还可以用来加工齿条.齿轮、花键和母线为直线的成形面等汽车上的气缸体和气缸盖韵乎面、变速器箱体和盖的配合平面等都是用刨床加工的。 （3)铣削：铣削是指使用旋转的多刃刀具切削工件，是高效率的加工方法。一般在铣床或镗床上进行,适于加工平面、沟槽、各种成形面(如花键、齿轮和螺纹)和模具的特殊形面等。广泛地应用于加工各种汽车零件。汽车车身冷冲压的模具都是用铣削加工的。计算机操纵的数控铣床可以加工形状很复杂的工件，是现代化机械加工的主要机床。 （4)钻削：钻削是孔加工的一种基本方法，钻孔经常在钻床和车床上进行，也可以在镗床或铣床上进行。由于钻削的精度较低，表面较粗糙，生产效率也比较低。因此主要用于粗加工，例如精度和粗糙度要求不高的螺钉孔、油孔和螺纹底孔等。但精度和粗糙度要求较高的孔，也要以钻孔作为预加工工序。（5）镗削：镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工。（6)磨削：磨削是在磨床上用砂轮加工工件的工艺过程。磨削是一种精加工方法，可以获得高精度和粗糙度的工件，而且可以磨削硬度很高的工件。一些经过热处理后的汽车零件，均用磨床进行精加工。1.3.6 热处理热处理就是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。加热温度的高低、保温时间的长短、冷却速度的快慢，可使钢产生不同的组织变化。热处理工艺包括退火、正火、淬火和回火等。退火就是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，以利于切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。正火是将钢件加热，保温后从炉中取出，随后在空气中冷却，适于对低碳钢进行细化处理。淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。回火通常是淬火的后续工序，将淬火后的钢件重新加热，保温后冷却，使组织稳定，消除脆性。有不少汽车零件，既要保留心部的韧性，又要改变表面的组织以提高硬度，就需要采用表面高频淬火或渗碳、氰化等热处理工艺。1.3.7 装配装配就是按规定的技术要求将各种零件相互连接组合成部件，再把各种部件相互连接组合成整车。无论是把零件组合成部件，或是把部件组合成整车，都要满足设计图纸规定的相互配合关系，以使部件或整车达到预定的性能2。1.3.8 pvc涂胶线pvc 涂胶线是汽车涂装车间的重要工序，pvc 用于车身焊缝的密封和底部喷胶，其主要作用是防腐蚀和抗石击，此外还有消音、减震、隔热和加强钢板强度等作用。这道工序不仅关系着整车装配出厂是否漏雨的问题，也能起到车身的防腐、防震、抗石击等作用，关系到汽车的使用寿命3。1.4汽车试验 汽车的使用条件是十分复杂的，制造所涉及的技术领域也是十分广泛的，这导致很多问题研究的好不够充分，所以在汽车工业中特别注重汽车的试验。从设计、试制到批量生产都离不开大量的试验。即使客户购买并使用了汽车，车辆交通管理部门也要定期对车况进行检查，以确保行车安全。除了一些研究性试验外，汽车产品试验需遵循一定的标准和规范，对试验条件、试验方法、测试仪器及其精度和结果评价进行限定，以确保试验结果的再现性和可对比性2。第2章 激光在汽车工业中的应用激光以其高能量密度、高精度、是影响强等特点作为新兴手段广泛应用于汽车制造业。激光加工技术的应用是目前各国的研究重点, 随着工业发展对高效、环保、自动化的需要, 激光技术的应用迅速普及制造业的许多领域。 2.1在国外汽车工业中的应用与发展情况 汽车工业的发展对车体质量提出了更高的要求。激光焊接、切割技术等技术不仅在加工质量方面优于传统加工方法，在生产效率方面也有显著的提高。激光加工是生产高质量、低成本汽车的有效技术手段，发展到今天已经广泛应用于汽车制造等领域。在国外主要的应用包括以下几个方面。2.1.1车身总车与分总成的激光焊接 早在20世纪80年代，激光焊接技术就开始运用在汽车车身制造中，主要是应用于车身总车与分总成的激光焊接。激光焊接技术运用于汽车车身能大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性；减轻车身的重量达到节能的目的；提高车身装配的精度从而提高车身的安全性；降低车身制造过程中的冲压和装配成本，减少零件数量并提高车身一体化程度；降低噪音和震动，改善了乘坐的舒适性。国外对汽车追求“安全第一”，着促使激光焊接技术发展十分迅速，并且国外已经充分利用激光焊接技术进行铝合金车身的焊接。同时推动了汽车在不断降低刚度和强度的前提下，向轻量化方向发展。激光焊接在汽车制造业中，尤其是中高档车的生产中已成为标准工艺。车身的激光焊接主要分总成焊接、侧围与顶盖的焊接、后续焊。德国是最先把激光焊接技术运用于汽车制造，以宝马和大众为例，在20 世纪90 年代中期，宝马公司就利用激光焊接机器人完成了宝马5系列轿车的第一条焊缝，焊缝总长度达12 m。到了2003年7月，激光焊接焊缝的总长度累计达到150w米。在新的激光焊接技术方案上，德国大众途安轿车激光焊点的数量达到了1 400个、焊缝的长度总达70m。同时，奥迪也采用了激光焊接技术连接车身。在舒适、美观的敞蓬轿车生产中，大众公司的技术人员与奥地利的fronius公司共同合作研发了一种激光复合焊接技术。42.1.2 不等厚激光拼焊板 激光拼焊板就是将不同材质、厚度、涂层 的材料切成合适的形状，用激光把边部焊接成一块整体板，这样就可以满足汽车零部件对材料性能的不同要求。采用拼焊板装配汽车，在减轻汽车的重量，减少材料消耗，减少加工工序，降低生产成本，提高生产效率和安全性能等方面起到了十分重要的作用。同时满足了消费者提高产品质量和安全性能、减少油耗、保护环境等方面的多种需求。 激光拼焊板作为一项高新技术，主要是提供钢铁企业不能生产的超宽板及不等厚板。目前，由拼焊板生产的汽车零部件已经被成功地用于车身骨架件、外覆盖、内覆盖件、车门两侧的a、b 立柱、车门内板、底板、车轮支架、减振器架、横梁等车身部位。2.1.3汽车零部件激光焊接汽车零部件焊接采用激光焊代替传统焊接，零件焊接的部位几乎没有变形，焊接速度快，并且不需要焊后热处理，目前激光焊接广泛用到变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链、传动轴、转向轴、发动机排气管、离合器、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造中，成为汽车零部件制造的标准工艺5。2.1.4 激光切割 激光切割采用激光束照射到材料表面时释放的能量来使材料熔化并蒸发，是一种切缝窄、工件变形小、可控性好和适应性强的去接触加工。 在汽车工业中，高功率、高光束质量的固体激光器能够有效地利用缩小光斑的优点, 在激光切割中得到十分广泛的应用。利用功率为4 kw、光斑直径为0.2 mm 的激光器可以40 m/min 的速度切割1 mm 厚的软钢。车身部件在过去一直是从线圈中冲切, 为获得可挠性, 目前已广泛采用激光切割。冲切高张力钢很容易使模具磨损, 而激光切割则有不受材质影响的优点6。2.1.5激光打孔 由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中。与传统打孔工艺相比激光打孔具有很多优点，例如：激光打孔速度快,效率高,经济效益好；激光打孔可获得大的深径比；激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行；激光打孔无工具损耗；激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工；用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。2.1.6 激光热处理及涂敷激光热处理是所有激光加工技术中开发应用最早的技术，激光涂敷是近十几年开展起来的大规模研究的新技术，在普通金属材料表面涂敷一层耐磨、耐蚀特殊合金涂层的前景十分诱人。由于在工艺上还存在一些诸如易出现裂纹、气孔及表面粗糙等问题，该技术尚未大规模应用7。2.1.7 激光打标激光打标机由激光发生器生成高能量的连续激光光束，当激光作用于承印材料时，处于基态的原子跃迁到较高能量状态；处于较高能量状态的原子是不稳定的，会很快回到基态，当原子返回基态时，会以光子或量子的形式释放出额外的能量，并由光能转换为热能，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，从而形成图文标记。激光打标机与传统标记方式相比具有许多优越性，如：非接触激光加工，材料适应面广，可与生产线上其它设备集成，激光标记清晰持久美观，可有效防伪，使用寿命长，成本低等。因此激光打标机得到了广泛应用8。2.1.8 激光雷达日产汽车公司已研制出能测量汽车间间距的激光雷达，且价格仅是微波雷达的1/10。把它装在汽车前格栅上，就可以检测出前方的车辆、物体及行人，从而防止碰撞事故发生。如果激光雷达装在后格栅上，就可以对物体从后面装成进行警戒，在进入车库时就可以防止擦车、碰撞等事故发生9。2.2在国内汽车工业中的应用与发展情况 早在1976年时，大众一汽率先将激光切割技术应用在称身修边及切空上。80年代，在国家的重点支持下，发动机、气缸体、汽缸套内孔激光处理技术得到优先开发和发展。并且在90年代建成国内较先进的两条激光处理生产线。该技术同时被国内汽车修理行业接受，开始遍及全国。道路20世纪末，随着我国轿车合资厂的产品进入国外同步生产阶段，激光加工技术在国内汽车工业中去得了不可替代的地位，并作为一种先进的技术被业内人士接受。 我国的汽车生产工业与国外还存在一定的举例，这给激光加工的应用带来了很大的困难。但随着该项技术正在逐渐被人们熟知以及技术的逐渐成熟，激光加工技术在汽车工业中的大量应用指日可待。2.3激光加工技术的发展趋势 激光加工技术在现代汽车制造业中扮演着重要的角色，成为不可或缺的一项技术，并发挥着越来越重要的作用。激光器的发展为汽车工业提供了很多的选择，而激光加工在今后几年的发展呈明显的区域性，每个领域各有不同。应用最多的地区主要在欧洲、美国、日本、韩国、德国等地，在各个地区应用道德领域也各不相同，以应用最多的焊接和切割为例，美国激光切割和焊接的比率为2:5；欧洲为1:1；日本为2:1。由此可见，根据各国情况发展自己的激光加工领域将会是今后激光加工技术发展的主要趋势7.第3章 激光焊接激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率的焊接方法日益被人们接受。大功率co2激光及yag激光的出现，开辟了激光焊接的新领域，在机械、汽车、钢铁等工业部门得到了广泛的应用。3.1激光焊接概述3.1.1激光焊接原理及分类 激光焊接是用高功率的激光束辐射到材料的表面，通过激光与材料相互作用，使材料焊接部位高温熔化，然后通过冷却凝固实现两种材料的连接。在激光焊接过程中，激光与材料的作用时间为毫秒级，激光直接穿透的材料深度为微米级。材料吸收能量后局部温度迅速升高，产生的热量扩散到材料的内部，是内部温度逐渐升高，热量传播的速度和规律符合材料热力学的热传导方程。随着激光焊接工艺参数的不同，热量传播的时间和深度也有所不同。 按焊接机理的不同，激光焊接可分为激光热传导焊和激光熔深焊。热传导焊如图1，是在较低的激光功率密度和较长激光作用时间内，材料从表面逐渐熔化，随着输入能量的增加和热量的传导，液化界面逐渐向材料内部迁移实现焊接。在热传导激光焊接过程中，材料不会发生明显汽化，也不会产生熔池小孔。激光熔深焊如图2，是采用较大功率激光器，在焊接过程中，金属材料会汽化或蒸发形成等离子体。金属蒸汽以一定速度逸出熔池时，对液态金属产生反冲压力，使熔池表面下陷形成凹坑。蒸汽的持续逸出使凹坑逐渐加深，最终形成小孔。激光束保护气体等离子体激光束熔池小孔熔池热影响区 图2 激光熔深焊的熔池示意图图1 激光热传导焊的熔池示意图 按激光输出方式的不同可分为连续激光焊和脉冲激光焊。在脉冲激光焊中一个激光脉冲形成一个焊点，当重复频率过高时焊点间会出现重叠，也可以获得连续焊接。脉冲激光焊接主要用于精密元件和电子元器件的焊接。在汽车工业中原理上可用来预防等离子体的产生，不过由于操作比较复杂在实际应用中还有一定的困难。连续激光焊接过程中能量是连续的，会形成一条连续的焊缝。 按焊接接头的方式不同可分为对接焊、搭接焊；根据母材熔化与否，激光焊接可以分为熔化焊和钎焊；根据焊接时是否添加焊丝，可分为填丝焊和非填丝焊10。3.1.2焊接常用的激光器及今后发展趋势 目前用于焊接的激光器主要有两种，即nd:yag激光器和co2激光器1. nd:yag激光器：近红外光，波长1.06um。热导体对这种波长的光吸收率较高，对于大部分金属，它的反射率为2030。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0.25 mm。功率一般能达到40006000w左右，现在最大功率已达到10000 w。2.co2激光器：远红外光，波长10.6m，大部分金属对这种光的反射率达到8090（大功率的co2激光器通过小孔效应解决了高反射率的问题），需要特别的光镜把光束聚焦成直径为07501mm。而co2激光功率却能轻易达到20000w甚至更大。co2激光10kw以上大功率焊接时，若使用氩气保护气体，常诱发很强的等离子体，使熔深变浅。因此，co2激光大功率焊接时，常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。co2激光器不太适合焊接高反射率材料(如铜、铝等)，对有害气体(如氢、氧、氮等)具有强烈吸收作用的材料(如钛合金)激光焊接时惰性气体保护工艺仍有困难。11激光加工常用的激光器有气体co2 激光器、固体nd:yag 激光器、半导体激光器以及光纤激光器。由于固体激光和气体激光相比，波长短，在材料加工中（特别是焊接），具有独特的优势，如材料对激光的吸收率高，光束易通过光导纤维传输，易实现焊接柔性化、自动化等，使固体激光器受到了焊接界越来越多的重视。近年来国外千瓦级以上的激光器的发展很快，已经出现如激光二极管泵浦的nd: yag 激光器（diode pumped nd:yag laser）、光纤激光器(fiber laser)、碟形激光器(disk laser)和激光二极管阵列激光器(direct diode laser)等，它们的主要性能对比如表1 所示。从表1 中可以看到，新近发展的激光二极管泵浦nd:yag 激光器、光纤激光器和碟形激光器的性能都比co2 激光器和灯泵浦nd: yag 激光器好得多。特别应该注意到光纤激光器已经能达到万瓦级的水平，与co2 激光器相当，而且可以做到基本终身免维修，能量转换效率最高（达30%），设备体积小，容易搬运到现场进行焊接。根据国外的预测，今后十年，co2 激光器的需求量将下降，而灯泵浦nd:yag 激光也将逐步被激光二极管泵浦nd:yag激光器所取代。因此，激光二极管泵浦的nd:yag 激光器（diode pumped nd:yaglaser）、光纤激光器(fiber laser)、碟形激光器(disk laser) 和激光二极管阵列激光器(direct diode laser)是未来激光加工用激光器的发展方向12。3.1.3激光焊接与传统激光焊接相比优点1.可避免热损伤和焊件变形，进行精密零件、热敏性材料、薄材、细径线材，几乎没有连接间隙。 2.激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高热导率和物理特性相差很大的金属特别有利。3.可在真空、空气及特殊气体环境中均能施焊，并能穿过玻璃获透明材料进行施焊。对一些特殊合金无需在真空中进行加工，只需施加保护性气体。焊接深度/宽度比较高，因此焊接设备简单。4.焊缝强度高、焊接速度快，表面状态好，免去焊后清理工作。5.可进行微型焊接、非接触远距离焊接、多工位加工，以及一般方法难以接近的街头或无法安置的接焊点，灵活性大。激光焊接的主要缺点有：1.要求焊件装配精度高，且光束在工件上的位置不能有显著地偏移（聚焦后光斑小、焊缝窄，如果达不到要求，焊件很容易有缺陷）。2.激光器及其相关系统的成本高，前期投入大，特别是需要大量昂贵的保护气体（如氦等）的应用场合。3.高反射性及高热导性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。如要减少反射，则需仔细优化激光辐射条件，必要时还需采用涂层材料。热导率较大则要启动较高激光能量密度。4.当进行中能量至高能量的激光束来焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体去除。5.能量转换效率太低，通常低于10%。6.焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。3.2激光焊接工艺3.2.1 功率功率密度是激光加工中最关键的参数之一。工件表面某点吸收多少能量是由激光输出功率和激光辐照时间共同决定的。在其他条件都不变的条件下，激光输出功率越大，焊接速度快、焊接熔深越大。焊接速度、焊缝深度与激光功率关系如图3所示。激光功率有助于提高焊接速度，从而提高焊接效率。激光功率较小时容易产生气孔；激光功率增大，气孔会逐渐减小直至消失。激光功率太大则会造成焊点金属蒸发过量甚至烧穿。在保证焊接质量的前提下，激光功率、焊接速度和保护气体流量要合理搭配才能得到满意的焊接效果。图33.2.2 脉冲波形激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其实在薄片焊接方面。当高功率激光束射至材料表面，金属表面将会有60%98%的激光能量反射而损失，反射率也会随表面温度变化而变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率会发生变化很大。当材料表面升高到熔点时，反射率迅速下降，当表面处于熔化状态时，反射稳定于某一特定值。对于波长1.064m 的激光束，大多数材料初始反射率较高，所以经常采用带有前置尖峰的激光输出波形，利用开始出现的尖峰迅速改变表面状态，使材料表面温度上升至熔点，从而降低反射率。对于钢及类似黑金属，其表面反射率比有色金属低，适合采用平坦的激光波形。在实际焊接中应针对不同材料的焊接特性，灵活调整脉冲波形。对于易脆材料可以采用能量缓慢降低的脉冲波形,减慢冷淬速度。3.2.3 脉冲宽度脉宽由熔深与热影响分区确定，脉宽越长热影响区就越大，熔深是随脉宽的1/2 次方增加。但脉冲宽度增大会降低峰值功率，因此增加脉冲宽度一般用于热传导，形成的焊缝尺寸宽且浅，尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是，峰值功率较低会导致多余的热输入。每种材料都对应有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度。最大熔深是功率密度的函数，也是材料热力学特性的函数，即为保证激光焊接整个过程中材料表面不会出现强烈的汽化，设脉冲终止时材料表面达到沸点，根据，设可求的所需功率密度，取不同值时，可获得最大熔深与的关系为由此可见，如果需获得较大的熔深，脉宽应越长，且熔深的增加随脉宽的1/2次方增加。3.2.4离焦量激光在平面上能量分布为高斯函数。按照高斯光束传播理论，聚焦透镜左边光束腰斑半径为，与透镜的距离为d1，经焦距为f的透镜聚焦后，在右边获得新的光腰，如图4所示其光斑半径为，图4 激光焦点与离焦量可见聚焦后光腰不在透镜焦平面上，而是在a处。a是激光的焦点，焦点处光斑最小，能量密度最大。离激光焦点距离为z处得光斑半径为式中，z为离焦量。各平面光斑中的能量分布为激光焦平面中心处（即r=0，z=0）的光强度为，式中，p为激光功率；r为任一平面上各点与光轴的距离。脉冲激光焊接通常需要一定的离焦量。由于光束横截面能量分布沿光束传输方向有一定的变化，激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发形成小孔。离开激光焦点的各平面上，激光的能量分布面积较大，光斑能量分布相对均匀，能量密度下降，容易获得合适的功率密度。 离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。在实际运用中，薄板焊接时，熔深小，应选用正离焦；熔熔深较大时，应选用负离焦。3.2.5脉冲频率脉冲频率、光斑尺寸和焊接速度相互匹配时，才能达到所需的重叠率。当焊点达到90%以上的重叠率时基本符合焊缝要求，但是也要根据对加工工件的粗糙程度及焊接要求来选择。对于非密封焊接，在焊接速度不变情况下，激光脉冲频率降低，焊点之间重叠率就降低，相对焊缝表面会比较粗糙。一般来说，重叠率越大，焊缝越光滑，但焊接速度也会相应降低。当激光脉冲频率超过一定值时，重叠率过大，超过材料的焊接极限，会焊穿或者出现焊渣。3.2.6 焊接速度提高焊接速度会将会使熔深变浅。所以，在焊接薄板或焊接性较好材料时一般使用高速焊接；厚板、难焊材料焊接速度要降低。焊接速度对熔池和焊缝形状也有影响。低速下熔池大且宽，并容易产生下塌，高速焊接时，焊缝中心强烈流动的液态金属由于来不及重新分布，会在焊缝两侧凝固，形成不平整的焊缝。对于一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围。焊接速度、焊缝深度与焦距关系如图5所示图5 焊接速度、焊缝深度与焦距的关系3.2.7 保护气体激光焊接过程有时需使用惰性气体来保护熔池，一般情况下用氮气、氩气、氦气。氦气成本最高，但其防氧化效果好，且电离度小，不容易形成等离子体。氩气的防氧化效果也好，但是它易电离，一般如铝，钛等活泼性金属会用氩气做保护气，当将氩气和氦气按一定比例混合使用时效果更好。氮气成本最低，一般用于不锈钢的焊接13,14。3.3激光与物质的相互作用3.3.1金属材料对激光反射的问题在激光焊接过程中，表面光滑未处理材料的激光吸收率一般不超过10%，这造成了极大地损耗。因此研究激光焊接中影响激光吸收率的问题就尤为重要。金属材料在长波段式吸收率非常低，随着波长的减小，吸收率增大。金属材料对激光的吸收率还与温度有关，在室温下的激光吸收率均很小，但当温度升高到接近熔点时，其激光的吸收率就可以达到40%50%，甚至在温度接近沸点时，激光的吸收率高达90%。值得注意的是在激光入射角不等于0的表面区域，激光在金属表面会产生二次甚至三次反射，而且微小的沟槽和裂纹有利于辐射波导的传输。由于砂纸打磨后的工件在表面残留的砂粒对激光有较高的吸收率，因此虽然其粗糙度有所下降，但吸收率反而增加2。当金属材料暴露于空气中的时候会在材料表面产生一层氧化物，氧化层的厚度和结构取决于金属材料在空气中的暴露时间，当氧化层达到一定厚度时，金属材料对激光能量的吸收率会增加一个数量级甚至更高。15提高金属吸收率的方法：a.采取适当表面处理工艺（砂纸打磨、表面化学侵蚀、表面镀石墨涂层及空气炉中氧化等）。b.焊件结构设计工件坡口设计成30 0c角的v字形结构。这样激光束能在空隙中多次反射，形成一个人工的小孔，从而增加吸收率。c.调整激光器参数，选用短焦距透镜和低模输出使光斑尺寸小，功率密度大，吸收率高16。d.在进行焊接时可把工件预先加热，已降低激光的损耗。e.焊接前让金属材料在空气中暴露一段时间，得到足够的氧化。3.3.2激光焊接中的气孔气孔是激光焊接过程中，最常出现的缺陷。它是深熔焊接的一个直接结果。由于焊缝深而窄，冷却速度又快，焊接过程中产生的气孔不一定有足够的时间从熔化区逸出。对于非穿透焊缝，问题比较严重，较易在焊缝的根部出现分散的气孔。但是由于激光焊接的冷却速度快，如果出现气孔，其直径也比传统熔焊中的气孔直径小。某些材料易于在焊接过程中产生气孔。例如：镀锌钢板、含镁合金在焊接过程中因锌、镁挥发而产生气孔，沸腾钢在焊接过程中熔池发生化学反应产生气孔。某些铝合金对气体有高的溶解度，在焊缝结晶过程中释放气孔。用激光焊接这些材料时必须特别注意防止气体卷入焊接区域。降低熔化区气孔率的方法包括：焊前清洗、焊接过程中用惰性气体充分保护焊接区和选择较低冷却速度的焊接参数。一个正面较宽、背面较窄、略带斜度的v字形焊缝有利于气体逸出和减少气孔17第4章 等离子体在高功率激光熔深焊接中很容易产生等离子体，折射、散射以及吸收激光能量，影响和改变激光同材料间的互相作用，会影响激光的功率和光斑的集中程度，进而影响熔深，导致缺陷。4.1 等离子体的形成当高功率激光束作用于工件上时，工件被加热、熔化并蒸发，在工件上会形成蒸汽，金属蒸汽被电离形成金属蒸汽等离子体。等离子体还可能是有保护气体产生的，保护气体在高温作用下发生电离，形成保护气体等离子体。等离子体的产生是物质的原子或分子受能量激发电离的结果，任何物质在接受外界能量而温度升高时，原子或分子受能量（光能、热能、电场能量等）的激发都会产生电离，从而形成由自由运动的电子、带正电粒子和中性原子组成的等离子体，它在宏观上保持电中性的状态。在激光熔深焊接过程中，光致等离子体是材料在高能密聚焦激光束作用下所产生的一种必然物理现象，等离子体又被称为物质的第四态。光致等离子体是激光熔深焊接过程中的重要现象，也是影响焊接质量的重要因素。光致等离子体的存在影响和改变了激光同材料间的相互作用，也由此影响力激光焊接质量和焊缝形状。4.2等离子体的分类等离子体的划分方法有很多种。根据气体电离度的不同，可分完全电离等离子体和部分电离等离子体。完全电离等离子体中所有气体分子和原子完全电离，温度通常达到106108k，又称高温等离子体：部分电离等离子体中气体只是部分电离，温度在105k以下，也称低温等离子体。由于高温等离子体要求的温度很高，因此通常的气体放电所产生的等离子体大多属于低温等离子体。激光焊接时产生的等离子体属于低温等离子体范围。其电子与离子(或粒子)的温度平均，整个等离子体处于局部热力学平衡状态。根据空间位置和等离子体的强弱，在不同的激光功率密度条件下，又可以将激光等离子体分为三种状态：当激光功率密度小于106w/cm2时，稀薄的等离子体依附在工件表面，工件通过等离子体吸收能量。当功率密度处于106107w/cm2时，等离子体在工件上方形成稳定的近似球形的云团。它的存在有助于加强工件对激光的吸收这种现象被称之为“增强耦合”。此时工件对激光的吸收率可由10%左右增长到30%50。当功率密度较高（即大于107w/cm2）时，等离子体的温度较高，电子浓度较大，对激光的吸收变强，给工件的传热变弱。当传热变为零时，激光和工件之间完全被等离子体阻隔，工件表面汽化终止，等离子体逐渐减少至消失。激光加热工件表面的过程重新开始，等离子体呈周期性变化。4.3等离子体和焊接过程的相互作用光致等离子体对激光焊接的影响一直是研究的热点。激光熔深焊不同于热传导焊，并不是通过单纯的热传导吸收能量，大能量密度首先在焊件表面形成匙孔，然后再小孔内经过多次吸收，焊接过程中产生的等离子体对激光具有屏蔽的作用。由于等离子体会对激光产生折射，而高温下的等离子体区折射率是变化的，当激光穿过等离子体时波形发生率畸变，使得激光在工件上的作用区域扩大。激光诱发的等离子体在焊缝形成过程中起到重要的作用，各种质量监测技术如光辐射法、声压法、电场法等都与等离子体相关。目前对激光焊接中出现缺陷时等离子体信号的特征还缺乏细致的分析，影响了质量实时监测系统的完善性和准确性。4.4利用谱线相对辐射强度计算光致等离子体温度高功率激光焊接过程中，光致等离子体的粒子密度和温度对入射激光能量的传输效率及焊缝的熔深都有很大影响。在高温气体中，当受激原子(或离子)做自发跃迁时，会以光量子的形式辐射出多余的能量，辐射光的强度由做该种跃迁的粒子数来确定。谱线的辐射强度，式中下标n、m分别为跃迁的上下能级，为频率为的光谱线辐射强度，为等离子体中同一元素的原子数密度，为n能级的统计权重，k为波尔兹曼常数，u为分配函数，为自n能级向m能级的自发跃迁几率，h为普朗克常数。由于辐射能量是在4立体角内发射的，故计算时要乘以因子14。由于利用式计算辐射强度，要计算原子数密度n0及配分函数u，工作量及难度都相当大。考察同一类原子(或离子)的2根谱线，分别代入上式，取两谱线辐射强度之比，消去no与uo经过整理计算，就得到了等离子体温度利用此式计算得到温度t，不但反应了焊接过程中光之等离子体的温度变化情况，同时也为计算光致等离子体电子密度提供了必要参考量。4.5利用谱线相对强度法计算等离子体电子密度在局部热力学平衡条件下，沙哈方程表示为式中n为粒子数密度，vi为电离能，me为电子质量，下标a、i、e分别表示原子、离子和电子。原子和离子的辐射强度可以分别表示为 整理得即为利用相对谱强度法计算光致等离子体电子密度的公式。4.6 等离子体的控制方法4.6.1 从根本上抑制等离子体的产生1)激光摆动法 就是在焊接过程中沿着焊接方向来回摆动，在匙孔出现后等离子体出现前，将光斑瞬间移至熔池的后缘，等离子体还没有来得及扩展，光束又移动形成了新的小孔。这种方法虽能有效改善等离子体对焊接效果的影响，但在实际操作中很难控制。2）脉冲激光焊接法 对激光的脉冲频率进行调整，使等离子体刚产生还来不及长大。但这种方法容易引起焊缝的波动。3）低气压或真空激光焊接 环境压力越低，等离子体密度越低，且焊接熔深显著增加。但工艺太复杂而且成本很高，缺乏实用性。4.6.2气体控制法。1）外加电场控制法 我们知道等离子体是被电离的气体或金属蒸气，当存在外加电场时，带电粒子会受到电磁场力的作用，控制电磁场就可以控制等离子体中的带电粒子，进而达到孔子等离子体的目的。这种方法简