第四章激光焊接及切割

1、1第四章第四章 激光焊接及切割激光焊接及切割 激光的特征：激光的特征： 具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性性 。（1）激光的高亮度激光的高亮度：固体激光器的亮度可高：固体激光器的亮度可高达达1011Wcm2，比太阳亮，比太阳亮16个数量级。不仅个数量级。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，在如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。使其可能可加工几乎所有的材料。 （2）激光的高方向性激光的高方向性：激光的高方向性使其：激光的高方向性使其能

2、在有效地传递较长的距离的同时，还能保证能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。工的重要条件。2（3）激光的单色性好激光的单色性好：由于激光的单色：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。到焦点上，得到很高的功率密度。（4）激光的高相干性激光的高相干性：只要是两个频率：只要是两个频率相同、相位差恒定的光就称之为相干光，相同、相位差恒定的光就称之为相干光，其光源就叫相干光光源其光源就叫相干光光源3第一节第一节 激光焊产生原理及特点激光

3、焊产生原理及特点分类分类： 激光器输出能量方式脉冲激光点焊和连续激光焊；根据聚焦后光斑上的功率密度的不同热传导焊接和激光深熔焊。定义：定义： 将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。4第一节第一节 激光焊产生原理及特点激光焊产生原理及特点一、激光焊原理一、激光焊原理（1）熔化焊）熔化焊（功率密度105W/cm2）当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。52）小孔焊）小孔焊（功率密度106W/cm2）当功率密

4、度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在起。67根据实际的材料性质和焊接需要来选择两种焊接机理，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。区别区别：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。联系联系：可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光

5、脉冲持续时间。8激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率激光功率 存在一个激光能量密度阈值，当工件上的激光存在一个激光能量密度阈值，当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。也即焊接以稳定热传导型进行。当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程

6、，导致熔深波动很大。接过程，导致熔深波动很大。92)光束焦斑。光束焦斑。 光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。测量技术。 103)材料吸收值 材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。温度等，其中最重要的是吸收率。 114)焊接速度焊

7、接速度 焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深 125)保护气体保护气体 激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。 136)透镜焦距透镜焦距 焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63254mm焦距的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。 147）焦点位置）焦点位置 焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置

8、至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。 158)激光束位置激光束位置 对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。 169)焊接起始、终止点的激光功率渐升、焊接起始、终止点的激光功率渐升、渐降控制渐降控制 激光深熔焊接时，不管焊缝深浅，小孔现象始终存在。当焊接过程终止、关闭功率开关时，焊缝尾端将出现凹坑。 17激光深熔焊的优点 1) 高的功率密度高的功率密度导致焊接速度快，受热影响区和变导致焊接速度快，受热影响区和变形都很

9、小，还可以焊接钛等难焊的材料。形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。 2) 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。 3) 由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。综合性能高。 4) 由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工

10、用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。件加工成本。 5) 对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。化操作。 18激光深熔焊的缺点1) 焊接深度有限。焊接深度有限。 2) 工件装配要求高。工件装配要求高。 3) 激光系统一次性投资较高激光系统一次性投资较高 19二、激光焊接特点二、激光焊接特点(1) 速度快、深度大、变形小。 (2) 能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。(3) 可焊接难熔材料如

11、钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。(4) 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5:1，最高可达10:1。 20(5) 可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。(6) 可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。(7) 激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件 21激光焊接缺点(1) 焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。(2

12、) 最大可焊厚度受到限制，渗透厚度远超过19mm的工件生产线上不适合使用激光焊接。(3) 焊接高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等时，焊接性会变差。22(4) 当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。*(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。(7) 设备昂贵。23三、激光焊过程中的等离子云三、激光焊过程中的等离子云（1）产生原因）产生原因激光是光波，又是一种电磁波，在加热金属时产生两种现象：一是金属被激光加热气化后，在熔池上方形成高温金属气云，当激光功率密度很大时，高温金属蒸气将在

13、电磁场的作用下发生离解形成等离子体；二是焊接时施加的保护气，在高功率密度激光的作用下也能离解形成等离子云。因此，等离子云的产生不仅与激光的功率密度有关，而且与被焊金属的性质及保护气有关。24（2）等离子云对焊接过程的影响）等离子云对焊接过程的影响激光焊接时产生的等离子云对焊接过程产生不利影响，位于熔池上方的等离子云，对激光的吸收系数很大，它相当于一种屏蔽，吸收部分激光，使金属表面得到的激光能量减少，焊接熔深减小，焊缝表面增宽，形成“图钉”状焊缝，而且焊接过程不稳定。25（3）抑制等离子云的方法）抑制等离子云的方法焊接过程中克服等离子云影响的最常规方法是通过喷嘴对熔池表面喷吹惰性气体。可以利用气

14、体的机械吹力驱除等离子云，使其偏离熔池上方。还可以利用较低温度的气体降低熔池上方高温气体的温度，抑制产生等离子云的高温条件。26采用高频脉冲激光焊，使每个激光脉冲的加热时间少于等离子云形成的时间采用高速焊或较短波长的激光进行焊接，27四、激光焊接的焊缝形状四、激光焊接的焊缝形状焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：l， 最高可达10：1。 28五、激光焊接焊缝的组织性能五、激光焊接焊缝的组织性能采用大功率激光光束焊接时，因其能量密度极高，被焊工件经受快速加热和冷却的热循环作用，使得焊缝和热影响区区域极窄，其硬度远远高于母材硬度远远高于母材，因此，该区域的塑性

15、相对较低塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度，应采取焊接前预热和焊后回火等相应的工艺措施 29第二节第二节 激光焊设备激光焊设备激光焊接设备主要包括：激光器、光束偏转及聚焦系统、光束检测器、激光焊接机（或专用焊机）控制系统组成。30一、激光器一、激光器1、固体激光器 激光工作物质（红宝石、YAG或钕玻璃棒）聚光器谐振腔(全反镜和输出窗口)泵灯、电源及控制设备组成 31固体激光器的工作过程 打开充电开关打开充电开关变压器升压整流变压器升压整流电容器充电电容器充电达到额定电压达到额定电压充电完毕充电完毕放电开关打开放电开关打开氙灯发光氙灯发光照射照射YAG产生激光产生激光谐振腔放大输出谐振腔放大输

16、出322、气体激光器 1)封闭式或半封闭式CO2激光器 2)横流式CO2激光器u3）快速轴流式）快速轴流式CO2激光器如图激光器如图33表4-1 焊接和切割用激光器特点激光器激光器波长波长( ( m)m)工作工作方式方式重复频率重复频率(Hz)(Hz)输出功率或输出功率或能量范围能量范围主要用途主要用途红宝石激光红宝石激光器器0.6940.6943 3脉冲脉冲0 01 10 0100J100J点焊、打孔点焊、打孔钕玻璃激光钕玻璃激光器器1.061.06脉冲脉冲0 01/101/100 0100J100J点焊、打孔点焊、打孔YAGYAG激光器激光器( (钇铝石榴石钇铝石榴石) )1.061.06

17、脉冲脉冲连续连续0 04004000 0100J100J0 02kW2kW点焊、打孔点焊、打孔焊接、切割、表面焊接、切割、表面处理处理封闭式封闭式C0C02 2激激光器光器10.610.6连续连续0 01kW1kW焊接、切割、表面焊接、切割、表面处理处理横流式横流式C0C02 2激激光器光器10.610.6连续连续0 025kW25kW焊接、表面处理等焊接、表面处理等快速轴流式快速轴流式C0C02 2激光器激光器10.610.6连续连续脉冲脉冲0 0500050000 06kW6kW焊接、切割焊接、切割343、激光模式 激光器输出光束的模式是指光束横断面上的能量分布情况。模式与光束的聚焦特性密

18、切相关。模式越低，聚焦后的光点愈小，功率密度即越大。对切割和焊接，要求激光器输出基模或低阶模 35表4-2 CO2气体激光器和YAG固体激光器比较-波长波长( ( m)m)可输出可输出功率功率光束光束质量质量光线光线传输传输光学部件光学部件运行消耗和维护运行消耗和维护COCO2 2气体气体激光器激光器10.610.6大大好好不可不可需用特殊材料需用特殊材料的光学部件的光学部件需要消耗气体，需要消耗气体，清理电极麻烦清理电极麻烦YAGYAG固体固体激光器激光器1.061.06小小次之次之可可可用普通光学可用普通光学部件制造部件制造只需必要时更换只需必要时更换泵灯，维护简单泵灯，维护简单36二、光

19、束偏转及聚焦系统二、光束偏转及聚焦系统37三、光束检测器三、光束检测器光束检测器有两个作用：一是可随时监测激光器的输出功率；二是可以检测激光束横断面上的能量分布，以确定激光器的输出模式。大多数光束检测器只有第一个作用，所以又称为激光功率计 38四、激光焊接机四、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 39第三节第三节 激光焊应用激光焊应用一、激光焊在电子领域的应用一、激光焊在电子领域的应用40二、激光焊接在汽车行业的应用二、激光焊接在汽车行业的应用汽车工业中，激光技术主要

20、用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造 41三、激光焊接在粉末冶金领域的应用三、激光焊接在粉末冶金领域的应用如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石，由于结合强度低，热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落，采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。 42四、激光焊接在塑料行业的应用四、激光焊接在塑料行业的应用激光焊接塑料的基本原理是：两种塑料在低压力下被夹紧在一起，激光焊接塑料的基本原理是：两种塑料在低压力下被夹紧在一起，激光穿过一个制品，然后被另外

21、一个制品吸收，吸收激光能量的激光穿过一个制品，然后被另外一个制品吸收，吸收激光能量的制品将光能转化为热能，在塑料的接触面熔化，形成一个焊接区。制品将光能转化为热能，在塑料的接触面熔化，形成一个焊接区。 43与传统的塑料焊接技术相比，激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点：l1、焊缝精密、牢固和密封性（不透气和不漏水）能好；2、易于控制，具有良好的适应性；3、极大地减小了制品的振动应力和热应力；4、能够将许多种类不同的材料焊接在一起。5、目前市场上的塑料激光焊接机主要采用波长为1064m的半导体激光器作为光源。44五、激光在医疗领域的应用五、激光在医疗领域的应用澳大利亚外科医生将采用“焊接”方法

22、来取代普通的外科缝合手术，新方法利用激光器使蛋白质熔化，从而将两处受伤表面粘接在一起。新工艺已顺利通过动物试验，人体临床试验也将进行，仪器研制者希望，新仪器能用于受伤神经和四肢的“缝合”。欧文博士认为，新工艺能减少伤疤的形成，同时利用激光“缝合”能明显缩短手术时间。例如，用普通方法缝合受损的动脉需要45分钟，而采用激光“缝合”仅需2分钟。45第四节第四节 激光焊接发展方向激光焊接发展方向一、复合焊接（一、复合焊接（YAG激光激光与脉冲与脉冲MIG复合焊接）复合焊接）发展的原因发展的原因定义定义46激光复合焊接优点：激光复合焊接优点：1)可增加焊接熔深2)提高焊接速度与生产率3)改善接头性能 4

23、)降低设备成本的同时，通过激光与电弧的相互作用，来改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果。 47二、光束旋转激光焊二、光束旋转激光焊使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求例如在2mm厚高强合金钢板对接时，容许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm；而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。 48三、激光焊接质量在线检测与控制三、激光焊接质量在线检测与控制491、等离子体监测传感器 1) 等离子体光学传感器（PS）：它的作用是采集等离子体的特征光-紫外光信息。2) 等

24、离子体电荷传感器（PCS）；利用喷嘴做探针检测由于等离子体带电粒子（正离子、电子）的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。502、系统功能、系统功能1) 识别激光焊接过程属于何种方式。2) 诊断传输到焊接区的激光功率是否正常。3) 喷嘴高度自动跟踪。4) 焦点位置自动寻优和闭环控制。51第五节第五节 激光切割激光切割52一、激光切割原理一、激光切割原理53二、激光切割类型二、激光切割类型1、激光汽化切割利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以

25、激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。542、激光熔化切割激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。553、激光氧气切割激光氧气切割原理类似于氧-乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。 564、激光划片与控制断裂激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材

26、料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为O2开关激光器和CO2激光器。 57三、激光切割的特点三、激光切割的特点1、切割质量好1) 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。2) 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。3) 材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，4) 切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形，切口细窄，切缝两边平行且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达0

27、.05mm。582、切割效率高由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。切割速度快，用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。593、非接触式切割4、激光切割过程噪声低，振动小，无污染。5、可切割材料的种类多606、激光切割的缺点激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割

28、中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。另外，激光切割设备费用高，一次性投资大。61四、激光切割设备和装置四、激光切割设备和装置62图图4-8 典型典型CO2激光切割设激光切割设备的基本构成备的基本构成1-冷却水装置 2-激光气瓶 3-辅助气体瓶 4-空气干燥器 5-数控装置 6-操作盘7-伺服电动机 8-切割工作台 9-割炬 10-聚焦透镜 11-丝杆 12-反射镜 13-激光束14-反射镜 15-激光振荡器 16-激光电源 17-伺服电动机和割炬驱动装置63激光切割设备各结构的作用如下：激光电源 供给激光振荡用的高压电源。激光振荡器 产生激光的主要设备折射反射镜 用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。割炬 主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。切割工作平台 用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动。割炬驱动装置 用于按照程序驱动割炬沿X轴和Z轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成。64数控装置 对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率。操作盘 用于控制