激光焊接基础[哈工大讲义]讲解

1、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4.激光焊接的主要问什么样的加工特点？3.激光深熔焊的主要物理特征是什么?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 P

2、RAMA 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C02激光通常用TEMmn表示横模的光场分布，TEM是横电磁波“

3、Transverse Electromagnetic Wav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 = 2n?3? (?z TEM002 ( z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。

4、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入1K= 2 = ? M n w? 0通常K值范围：0.11， M2范围：110 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 Produc决定激光 加工适用范围 光束半径BPP=wo ? 0 0 =入？Kn = M?入2 ?( z激光束腰n ?0 9 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0 焦点附近，光束横截 面

5、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T外界能 量注入（泵浦）T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（m光束质 量（mm. mrad光斑直径（mm光束模式 光电转

6、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2530%光纤小盘式YAG激光器10,000 1.06 8 0.15多模2530%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

7、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

8、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Ti6AI4V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AISi25和AISilOMg,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激光焊接铜一铝 铝0.4mm,铜1mm，激光功率2kW，铝铜

9、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C02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860900nm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 Weldi ng of an electro nic key Diode Power Weldi ng speed Focal diameter 20 - 60 W 3 - 10 m/min 1 mm Weldi ng of an oil tan k (GFK Diode power We