激光束焊接原理及应用-完整版课件

激光焊接论文题目激光束焊接原理及应用激光在工业中的应用？激光加工技术应用概述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?自动化程度高高度的灵活性高精度生产率高革新传统加工方式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：PRCPRAMA德国：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英国：LUMONICS日本：川崎重工东芝

各种加工方法的应用比例激光加工技术在汽车中的应用激光束的基本特征？高能束焊接的定义

高能束焊接（电子束焊EBW、激光束焊LBW）是利用高能密度束流作为热源的焊接方法。其能量密度比TIG或MIG等弧焊方法高一个数量级以上，通常高于

5×105W/cm2。激光束基本特性

单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性

激光的单色性比一般光要高出106～107倍以上.

He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，谱线线宽只有10-9nm。

单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性。激光自然光波长能量2、方向性好、亮度高

激光器输出的光束发散角度小于10-3~10-5弧度。

激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：发散角：激光的方向性带来两个结果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。

一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。3、相干性好

以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重合便产生明暗相间的条纹，这就是光的干涉。自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。

激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。

一、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。

激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义

气体激光的光能横向分布

CO2激光通常用TEMmn

表示横模的光场分布，TEM是横电磁波“TransverseElectromagneticWave”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。

激光束特征描述及光束传播定义光斑半径光强

不论是轴对称还是旋转对称，其模是一致的，称为基模。一束沿方向传播的基模光束的光强可表示为：激光束特征描述及光束传播定义

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

二、发散角

激光束特征描述及光束传播定义光束半径激光束腰远场发散角光轴

一般只要远场发散角较小，光束的传播也可由下面的简化公式描述：

三、光束质量评定光束传播系数K、光束衍射极限倍数M，定义如下：

通常K值范围：0.1～1，M2范围：1～10K或M2为1，光束质量实际达到衍射极限。(2)光束参数积(BPP-BeamParameterProduct)

决定激光加工适用范围

激光束特征描述及光束传播定义四、光束的聚焦特性

激光束的反射、透射聚焦

聚焦后焦点半径：

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，可用下式表示：

激光束特征描述及光束传播定义CO2气体激光器的标准模式BeamShapeofDonutMode激光是如何产生的？激光的产生

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

CO2激光的产生1.激光束2.切向排风机

3.气流方向4.热交换器

5.后镜6.折叠镜

7.高频电极

8.输出镜

9.输出窗口

高频激励横流CO2激光器

一般气流的流动速度较慢,将热量从放电腔中带走。工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%；光束波长：10.6µm;CO2激光的产生轴流式CO2激光器

几个功能部件在谐振腔中采用了光学串联方式连接，这样既提高了功率，同时又保持了各部分独立设计的特点。

CO2激光的产生扩散冷却式CO2激光器

射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量密度。结构紧凑、坚固，气体消耗小。

中心电路光束输出

谐振腔外壳气瓶

光束输出射频电源

真空泵激光器类型：

横流轴流扩散冷却

输出功率等级：

3~45kW1.5~20kW0.2~3.5kW

脉冲能力：

DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束传播系数(K)

0.150.40.9

气体消耗：

小大极小电-光转换效率：

15%15%30%

焊接效果：

较好好优良

切割效果：差好优良

相变硬化：

好一般一般

表面涂层：

好一般一般表面熔覆：

好一般一般

YAG激光的产生根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，

Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，根据泵浦方式分类：氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲；氪弧光灯泵浦:连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲；调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），脉冲宽度：100~500ns，频率：几百~62kHz。

灯泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。

灯泵浦Nd:YAG激光器

将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高功率的激光束，每个独立的棒可通过透镜引导并规则的排列起来。目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。输出4kW功率。1kW的脉冲Nd:YAG激光器半导体泵浦YAG激光器

半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。

低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：侧向、横向泵浦1.Nd:YAG晶体棒2.激光束3.输出镜4.半导体阵列5.后镜6.冷却水7.电源

YAG激光器的氪弧灯与半导体泵浦源的谱线分布

半导体激光的发射光和Nd:YAG吸收波段之间的良好光谱匹配降低了Nd:YAG晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量，提高激光输出功率和脉冲重复频率。

半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度光束质量高：工作距离大瑞利长度大：焦点位置对公差不敏感半导体泵浦盘式Yb:YAG激光器免调整型腔体Yb：YAG激光器中的半导体泵浦源输出功率3000W，双圆片设计输出功率3000W，双圆片设计热透镜效应比较YAG棒的设计圆盘的设计盘式激光器的优点焊接中碳钢扫描焊接原理振镜扫描焊接的控制振镜扫描焊接结果半导体泵浦YAG激光半导体泵浦盘式激光激光器类型：

YAGCO2

光束波长:

1.06m10.6m输出功率等级：

0.1~5kW0.5~45kW脉冲能力：

DC-60kHzDC-5kHz光束模式：多模

TEM00-多模光束传播系数（K）

0.150.1-0.9

电-光转换效率：

3-10%15-30%光束传输:

光学镜片或光纤光学镜片焊接效果：优良好切割效果：一般优良表面处理:

好好运行成本:

高低

CO2、YAG激光器性能比较

半导体激光器半导体结构内的电子空穴复合时，可以在非常窄、非常薄的区域内产生几毫瓦功率的光。

典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度约为600µm。许多这样的元件组合起来可形成一个“激光条”。半导体激光波长808，940，980nm。

激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。

激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。Fast–axiscollimationSlow–axiscollimation

进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将这样的单元结构称为“堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW。半导体激光能量几乎是无限的光从一个区域发出光从不相干的光远发出聚焦性差“亮度低”与常规激光器增加能量方法的不同之处半导体、CO2、NdYAG激光器的比较光束传播方式附带电源的大功率半导体激光器半导体激光加工头半导体激光的产生不同激光器的外观CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比工业用激光器总结激光是如何传输的？激光加工系统的构成激光器CNC控制系统CNC控制工作台循环水冷系统气体供给系统光束传输及聚焦激光器控制器反射镜传输CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理光纤传输光纤传输基本原理

聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。

光纤传输方式光纤传输方式

多路转接器以很高的转向频率，依次给超过20根的光纤提供光源，适合“多点”或“多工位”激光加工。远距离焊接系统原理

如何选择激光器?光束质量比较光束参数积与激光功率决定加工范围激光束特征描述及光束传播定义CO2激光应用波长10.6um,反射镜传输，功率大。激光焊接汽车组合齿轮激光焊接不锈钢传感器功率：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/minCO2激光器的应用CO2激光焊接石英玻璃激光功率小于1Kw/cm2，可将2mm直径玻璃棒与3mm厚板连接起来。激光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。CO2激光精密切割石英玻璃无裂纹产生、切口光滑、无需后处理。激光涂覆过程的在线检测不锈钢涂覆过程温度传感器实时检测热辐射温度。激光涂覆修复航空发动机Ti6Al4V叶片，无气孔、裂纹，无氧化，变形小激光熔覆制作铝零件AlSi25和AlSi10Mg,无裂纹，密度接近100％。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填丝焊接CO2激光填丝焊接高碳钢与低碳钢，填入的焊丝用以调节焊缝的冶金性能。YAG激光应用波长1.06um,光纤传输，灵活性大，发展快。6-轴机器人YAG激光焊接汽车顶棚（VOLVO）YAG激光器的应用厚壁铝合金焊接8mm厚板剪裁后焊缝边缘状况不好，因此采用9KWCO2激光填丝焊接，送丝速度2.4m/min，同时改进热裂纹和焊缝组织。8mm厚AlMgSiO5，焊缝截面与表面成形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。厚壁管的YAG激光焊接主要用于重型车轴，以往采用摩擦焊，焊后处理时间长，且长度受限制，采用14Kw激光焊接，壁厚10mm，焊接速度1.7m/min.隐藏式焊缝YAG激光焊接焊接用于焊接汽车零件，阳极氧化处理的铝合金，搭接接头。焊缝不可见，仅在表面留有一个焊缝圆角。半导体泵浦YAG激光器精密焊接不锈钢用于焊接厨房用品,要求表面质量高,可卫生清洗,变形小。激光功率1.4Kw。YAG激光陶瓷微加工3wYAG激光，加工速度1000mm/s，在2mm厚工件上加工650um,300个／小时。YAG激光高精度切割石墨激光焊接船体结构

三板对接的T型接头，采用激光高频摆动焊接方式。半导体泵浦YAG激光器切割应用半导体泵浦YAG激光器焊接应用不锈钢焊接CO2激光器与Yb:YAG盘式激光器比较焊接中碳钢振镜扫描焊接结果半导体泵浦YAG激光半导体泵浦盘式激光最大3mm厚的6061，5754铝合金同厚度和不同厚焊接获得很好重复性；1mm厚板CO2与YAG激光焊接最大焊速可达10m/min。YAG激光焊接获得较大的参数范围。5754铝合金焊后无裂纹，强度与母材相同。建立了加工工艺数据库。下一代铝合金车体及关键部件的激光焊接发展的主要技术：激光焊接：CO2YAG光束成形技术：双光束、椭圆光束拼板焊接：正面、横侧向、俯仰角间隙适应能力切割边的质量和直线度要求表面条件6XXX铝合金的填丝焊半导体激光应用波长800～900nm,光纤传输，体积小，光斑形状多样。IRDiodeHousingLidwithpushbuttons

WeldingofanelectronickeyDiodePower20-60WWeldingspeed3-10m/minFocaldiameter1mmOilTankTankLidWeldingofanoiltank(GFK)Diodepowerca.60WWeldingspeed1-2m/minFocaldiameter2mm半导体激光器的应用半导体激光的热导焊与深熔焊2.5Kw半导体激光焊接2mm厚碳钢板，焊速0.9m/min，功率密度从1104cm2到5104cm2.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；焊缝深宽比可>2；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。3mm厚不锈钢板深熔焊，焊接过程产生很强的等离子体半导体激光焊接钢盒厨房用具的隐式焊缝半导体激光焊管半导体激光切割技术

半导体激光可组和成线状、环状多种形式的光束模式，非常有利于切割不同形状零件。可在2Kw，0.8m/min时切割10mm的碳钢板，在能量密度为8103W/cm2的低能量密度下切割0.5mm厚板需0.2秒，切割0.1mm厚板少于0.1秒。半导体激光切割厚板半导体激光熔覆轴高速熔覆与CO2激光器的熔覆效率比较扭转弹簧表面硬化轴的高速旋转硬化

高速旋转：8～11转／分环形热源加热光环轴向运动快速过程控制受热载连续性局限轴最大直径20mm定制半导体光束模式进行激光切割6个独立的半导体激光堆栈组成5mm长的线光源用于金属线圈的切割；10个独立的半导体激光堆栈环绕氧喷嘴排列组成直径为5mm的环型光束。环状半导体光束10个围绕切割嘴同轴排列的半导体激光组成一个环状光束，调整镜片和棱镜角度可形成一个聚焦的环状光束，用以切割与焊缝焊接。光束直径5mm，最大光束宽度1.4mm，切割10mm厚碳钢板，速度0.4m/min。新型连接技术－环型半导体激光环型光束的中间直径5mm,功率2kw，焊接1mm的不锈钢管与板250ms。半导体激光钎焊半导体激光钎焊主要优点：以往钎焊系统不适合单件成形的零件可焊接密封电路板，如SMD电路板以往钎焊系统不能焊接热敏感性电子元件其高度柔性非常适合电路板的焊接可焊接150um的细丝接头

激光焊接过程材料会发生怎样的变化？

激光与材料相互作用基础材料在激光作用下的不同状态a)固态加热b)表层熔化c)表层熔化，形成增强吸收等离子体云

d)形成小孔及阻隔激光的等离子体云温度升高---熔化----汽化-----形成小孔、等离子体熔化金属激光束激光束激光束激光束熔池稀薄等离子体致密等离子体熔池材料对激光能量的吸收

激光入射表面，一部分反射，一部分进入材料内部。

吸收的光，在材料内部穿透。随穿透路程的增加，光强按指数规律衰减，深入表面以下处的光强为：

为表面（）处的透射光强，为材料的吸收系数。如把光在材料内的穿透深度定义为光强降至时的深度，则穿透深度为。金属材料对激光的吸收0.25um（紫外光）～10.6um（红外光）波段范围，光在金属内的穿透深度为10nm数量级，金属对光的吸收系数约为。金属对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等一系列因素有关，分别讨论如下。一、波长的影响ABCDEA.银B.铜C.铝D.镍E.碳钢1.00.80.60.40.20.00.20.40.61.024681020波长，μm反射率可见光及其邻近区域：不同金属材料的反射率呈现出错综复杂的变化。红外光区：金属的反射率都表面出共同的规律性吸收率与偏振和角度的依赖关系为

:

对于平行偏振光，吸收率与入射角的依赖关系表现在布儒斯特角时吸收率具有最大值，而在0°和90°时有最小值。垂直偏振光则相反，随着入射角的增大，吸收率持续下降。吸收与偏振及入射角的依赖关系

深熔焊时产生匙孔，当激光沿焊接方向移动时，会造成匙孔前侧壁的倾斜，其斜面的法线与激光束中心线构成角，一般。在这种入射角很大的情况下，S偏振光几乎全部被反射，接近于0，而且P偏振光则大部分被吸收，吸收系数为60～70％。

光致等离子体行为金属汽化，形成匙孔金属蒸汽以及保护气体一部分起始自由电子被加速多次菲涅耳吸收和逆轫致吸收

逆轫致吸收光子能量

碰撞蒸汽粒子和保护气体使其电离电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体

一、等离子体的形成

等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件：等离子体与工件接触面的热传导等离子体辐射易为金属材料吸收的短波场光波材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。

如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则增强工件对激光能量的吸收。反之，减弱工件对激光的吸收。

二、激光维持吸收波

较强的激光束辐照于工件表面，使得金属蒸汽或工件表面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。

等离子体的一部分能量将以辐射方式耗散，被凝聚态材料或周围气体介质所吸收。这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动，通常称为激光维持吸收波。

主要的激光吸收区最终是在环境气体中形成。

激光冲击波爆发波LSC阵面等离子体稀疏波稀疏波工件激光爆发波LSD阵面等离子体稀疏波稀疏波工件激光维持燃烧波（LSC)，前面冲击波对激光透明，后面等离子体区是激光吸收区，亚音速传播（几十米每秒），依靠热传导、热辐射和扩散等输云机制使其前方冷气体加热和电离，维持激光吸收波及其前方冲击波的传播，波后是等离子体区，其等离子体温度为1～3eV。激光维持爆发波（LSD)，冲击波阵面就是激光吸收区，被吸收的激光能量支持冲击波前进，LSD波相对于波前介质超音速运动，其速度可达每秒几千米至上百千米，等离子体温度约为10eV至几十电子伏。激光维持燃烧波激光维持爆发波激光维持燃烧波对焊缝成形的影响

三、等离子体的周期性等离子体喷发出匙孔形成羽状等离子云

羽状等离子云吸收光束能量

匙孔内光束能量减少，等离子体的产生作用减弱，同时匙孔熔深减小羽状等离子云逐渐消散

匙孔内光束能量增加，等离子体的产生作用增加，同时匙孔熔深增大。

四、等离子体在能量传输中的作用

等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。1、致密的光致等离子体通过吸收和散射入射光，影响了激光的能量传输效率，大大减少了到达工件的激光能量密度，导致熔深变浅；

2、由于等离子体对入射激光的折射，使得激光通过等离子时波前发生畸变，改变了激光能量在工件上的作用区。激光束等离子体工件1、等离子体对激光的折射

等离子体的基本构成是正离子、自由电子和中性原子，整体上呈电中性。等离子体振荡是等离子体的最基本特点，其振荡频率为：

等离子体中电子密度，真空介电常数电子质量，电子电量。当角频率为的激光在等离子体中传播时，光速和波长发生变化，而其角频率不变，其频率和波数满足色散关系：

等离子体频率；在等离子体中传播的激光角频率；波数()

真空中的传播速度相应电磁波可以在等离子体中传播

相应电磁波不能进入等离子体中传播

实验室及一般工业加工条件下，等离子体电子密度处于范围，相应的数量级处于Hz范围，对于工业CO2激光，通常不会出现激光被等离子体全部反射的情况。激光在等离子体中传播的色散关系也可用下式表示：

式中，为等离子体折射率。可见，等离子体的折射率与等离子体的振荡频率有关，而等离子体的振荡频率是等离子体电子密度的函数。

由上式可知，可以传播激光的等离子体总满足，此时等离子体折射率小于1。所以激光束从空气入射到等离子体中的过程，是从光密介质进入光疏介质的过程，折射结果使聚焦性变差，对光束起发散作用。激光从折射率大的区域向折射率小的区域传播时，光束会发散，表现为负透镜效应。当入射激光束穿过等离子体时将引起激光束传播方向的改变，其偏转角与等离子体的电子密度梯度和等离子体长度有关，几千瓦至十几千瓦CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏传角为10-2rad数量级。2、等离子体对激光的吸收等离子体通过多重机制吸收激光能量，使温度升高、电离度增大。

正常吸收逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。逆韧致吸收分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性（电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高激光电场场合。

反常吸收指通过多重非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能的过程。这些波所携带的能量，通过各种耗散机制转化为等离子热能。等离子体对激光的吸收系数：

等离子体温度平均电离电荷

库仑对数的某种平均值

激光波长一定时，吸收系数是、和的函数。而、仅与有关，故最终可通过测量等离子温度来求得等离子体对激光的吸收系数.

材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成匙孔。

为形成匙孔，汽化压强应平衡表面张力、静水压力和液相材料抛出的流动阻力。孔底汽化压强为：式中，为孔底处液－气界面的表面张力，为孔底处的曲率半径，为液体材料密度，为重力加速度，为孔深，为液体流动阻力产生的压力。匙孔效应一、匙孔的形成

菲涅耳吸收是匙孔壁对激光的吸收机制，它描述激光在匙孔内多重反射的吸收行为。

功率密度为的激光束在倾斜角为的匙孔壁上发生反射时，被匙孔壁吸收的功率密度为Iabs，则菲涅耳吸收可以用下式来表示

为菲涅耳吸收系数，如果认为其只取决于匙孔壁的倾斜角，则有为常数

光致等离子体不仅存在于匙孔表面之上，而且也充满匙孔。等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传给孔壁。由于等离子体吸收，穿过匙孔到达匙孔底部的激光功率密度下降。匙孔底部激光功率密度对产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔至关重要，决定了加工过程的穿透深度。匙孔内等离子体的吸收系数在1cm-1左右。若焊接试验在真空中进行，则值显著下降，约为0.5cm-1。2、等离子体吸收－逆韧致吸收LaserbeamPlasmaKeyholeVaporjetBeadBasematerialWeldingdirection激光能量反射等损失激光能量进入小孔的激光能量等离子体吸收能量部分辐射到小孔等离子云逆韧致吸收光束多次反射小孔等离子体逆韧致吸收小孔壁Fresnel吸收光束多次反射小孔壁的Fresnel吸收材料对激光能量的吸收过程

三、焊接过程中的匙孔行为

焊接过程，匙孔壁始终处于高度波动状态，匙孔前壁较薄一层熔化金属随壁面波动向下流动，匙孔前壁上的任何凸起位置都会因受到高功率密度激光的辐照而强烈蒸发，产生的蒸汽向后喷射冲击后壁的熔池金属，引起熔池的振荡，并影响凝固过程熔池中气泡的溢出。激光束匙孔匙孔前壁匙孔后壁局部蒸发凸起喷射的金属蒸汽液态熔池

在熔池中存在旋转的涡流构造，且能量较大，有强烈的搅拌力作用。熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上浮力排除熔池，而是靠金属的流动带出熔池。

熔池匙孔钨颗粒激光束

匙孔中的蒸气由高温金属蒸气和匙孔脉动吸入的保护气体组成，被部分电离后形成带电等离子体。匙孔波动的主要原因：出自匙孔的蒸汽流速很快，接近声速，因此可以听到混乱的噪声。颈口处的高速流动的蒸汽会产生一个低气压区，促使颈口关闭，这是匙孔波动的原因之一。匙孔内金属的强烈蒸发，甚至形成喷射，这种无规律的蒸发引起了液态金属的快速抖动，也会造成匙孔的波动。X射线拍摄到的匙孔波动形态

激光焊接的应用潜力如何？

热导焊接深熔焊接热导焊焊缝深熔焊焊缝

激光焊接基本原理激光深熔焊几何特征1激光束2焊接熔池3匙孔4焊缝宽度5熔池深度激光深熔焊匙孔内液体金属的流动1激光束2匙孔后部流动区3匙孔内流动区

匙孔内激光的吸收过程1激光束2等离子体3熔池后部熔化区4焊件运动方向

等离子体特征等离子体对激光能量具有屏蔽作用(吸收、折射），减少激光入射到工件表面的能量密度。等离子体呈周期性振荡。金属等离子体激光维持燃烧波等离子体的抑制方法1、激光摆动法：激光加工头沿焊接方向来回摆动，在匙孔出现后等离子体形成以前，将光斑瞬时移至熔池的后缘；2、脉冲激光焊接法：调整激光的脉冲和频率，使激光的辐照时间小于等离子体的形成时间；3、低气压焊接：采用减压焊接，当气压低于某一程度时，材料表面及匙孔内金属蒸气密度较小，等离子体减弱；4、侧吹辅助气体：一种是采用辅助气体吹散等离子体；另一种是用导热性好、电离能高的气体抑制环境气体的电离和压缩金属离子蒸气。熔池、匙孔特征焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。气孔的形成：1）局部蒸发引起保护气的侵入；2）合金元素的烧损；3）激光焊接铝及合金时，在冷却过程中由于氢在铝中的溶解度急剧下降会形成氢气孔。匙孔特征激光匙孔熔池

若假设匙孔为圆锥面，锥角Ф。沿圆锥轴线入射的光束经锥面反射直向尖顶并退回，总共反射次。每反射一次，吸收约13％（CO2激光对铁）。设，则在18次反射过程中总吸收率达92％。激光深熔焊的特点（1）能量密度高、焊接变形小、热影响区小、是精密焊接方法；（2）焊接能量可精确控制，对不同材料、结构具有较高的适应性；（3）光束很容易传输到任何位置，自动化很容易实现；（4）同电子束焊接相比，不需要真空环境、不存在X-射线污染；（5）深熔焊接的焊缝深宽比可达121；（6）焊接时，要求装配精度高；大功率焊接时，等离子体密度高，对激光能量的损耗大。二、激光焊接的主要影响因素光束特性能量，脉冲或连续光斑尺寸和模式偏振波长焊接特性焊接速度聚焦位置接头几何尺寸间隙保护气成份保护方式压力、流速材料特性成份表面状态激光能量斑点尺寸光束模式偏振波长保护气成份保护方式流速接头形式几何尺寸间隙表面状况材料成份焊接速度聚焦位置—

激光功率：通常用于焊接的激光功率等级为3kW；

—

输出形式：连续、脉冲、波形控制；

—

焊接速度：激光焊接的经济性要求焊接速度较高（2m/min）；

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材料特性：材料对激光的吸收率、表面状态等；

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保护气体种类和形式：主要考虑对焊缝区的保护、等离子体产生的阈值高；

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离焦量：影响激光焊接熔深的主要参数；

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接头形式：对接、搭接、角接等；

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工件间隙：一般不允许有间隙（0.1mm）；

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填充材料：一般不采用填丝方式，超大功率、特殊情况下采用

激光焊接的接头设计

三、激光焊接的主要缺陷合金元素的挥发焊接过程中一些高挥发性的合金元素(如硫和磷)从熔池中挥发出来，会导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。冷却速度非常快材料的含碳量成为一个非常重要的影响参数，对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响。碳钢

采用激光焊接时，材料的含碳量(碳当量)不应高于0.2%。碳当量超过0.3%焊接难度增加，冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。

激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。如果钢没有脱氧(如沸腾钢)，不能用激光进行焊接，否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。镇静钢和半镇静钢

含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的钢激光焊接时易产生裂纹。

硫、磷含量

激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能，凝固裂纹的倾向有所增加。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约普通碳钢深5~10%左右激光焊接奥氏体不锈钢的热变形和残余应力相对较小，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。奥氏体不锈钢不锈钢

熔化焊过程中马氏体的相变和晶粒的粗化，接头强度和抗腐蚀性降低，相对而言，激光焊比常规焊的影响要低。韧性和延展性比其它焊接方法高。与奥氏体和马氏体不锈钢相比，用激光焊接铁素体不锈钢产生热裂纹和冷裂纹的倾向最小。铁素体不锈钢

不锈钢中，马氏体不锈钢的焊接性最差，焊接接头通常硬而脆，并伴有冷裂倾向。焊接含碳量大于0.1%的不锈钢时，预热和回火可以降低裂纹和脆裂的倾向。马氏体不锈钢高反射率金属－铝

铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度：铝合金反射率较高；铝合金的导热系数很高。许多铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，焊缝中存在较多气孔。液态铝的粘度较低，表面张力也很低，因此焊接铝时必须要密切注意焊接熔池，以防止熔池中液态铝的溢出，可通过接头设计或采取不熔透方法来解决。激光焊接铝的问题：气孔、热裂纹和焊缝不规则性。钛及钛合金

激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。钛对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化很敏感，特别注意接头的清洁和气体保护问题。钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。对热裂纹不敏感，焊接时会在接头的热影响区出现延迟裂纹，氢是主要原因。

气孔是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。消除气孔的主要途径：a)用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于99.9%；b)焊前清洗；c)合适焊接规范。钛合金表面氧化

V=0.8m/min,P=1000WV=1.2m/min,P=1000WV=1.6m/min,P=1000WV=2.0m/min,P=1000WV=2.4m/min,P=1000WV=2.8m/min,P=1000W

钛合金极易吸收空气中的氧和氮，处于高温时间越长，表面氧化越严重。激光焊接应用存在问题及解决的途径要求工件装配精密、对中严格高反射材料（铝合金）焊接过程不稳定、焊缝成型差激光焊接等离子体对光反射、吸收，降低能量利用率大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加开发新型激光器、提高功率、改善光束质量改变材料表面状态选择保护气体、控制能量输出形式激光焊接新工艺：双光束、填丝激光焊接、激光-电弧复合热源焊接等一、开发新型激光器

主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡。主要特点：(1)用掺杂离子的光纤作为工作物质(2)用光纤光栅代替光学镜片构成光学谐振腔(3)波长1~1.1um(4)光束质量很好；(5)体积非常小。光纤激光器

光纤激光器的最大特点就是一根光纤穿到底，整台机器高度实现光纤一体化。

包层泵浦，利用具有两个同心纤芯的特种掺杂光纤。一个纤芯和传统的单模光纤纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的单模放大。大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光。使用多个多模激光二极管同时耦合至包层光纤上，当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在光纤内设置的光纤光栅的选频作用，特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生激光输出。工作原理纤芯外包层内包层保护层图1双包层光纤及工作原理(a)(b)激光输出内包层外包层纤芯多模泵浦光纤激光器光纤激光器的应用6千瓦的光纤激光器用于焊接汽车零件，用于汽车零件的钢、铝合金的焊接和切割。切割和焊接速度比YAG激光器更快。光纤激光器的应用连续光纤激光器弯曲不锈钢，陶瓷或半导体在毫秒级内产生微弧度弯曲精度。激光精密成形二极管泵浦圆盘激光器

灯激发和二极管激发的棒式激光器存在激光束功率引起的热镜头问题，而盘式激光器实际上不再有热镜头问题。由于盘式激光器具有与CO2激光束类似的优质光束，通过光纤耦合的方法可以标定改变其功率，这比棒式激光器标定的功率要大许多倍。

空气刀聚焦点聚焦点空气刀反射镜聚焦光纤聚焦二、保护气体的选择保护气体对焊接过程的影响气体种类CO2激光焊抑制等离子体能力(电离能)抗氧化能力相对价格典型流量焊缝成形局限性氦气非常好(24.5eV)好高20~30l/min最深无氩气较差(15.7eV)非常好适中30~45l/min宽电离能低，喷嘴设计及流速很关键氮气(无氧)较差(15.5eV)好低30~45l/min较深电离能低，某些钢产生脆化二氧化碳较差(14.4eV)差最低30~45l/min正常不适应活性金属(Ti,Cr-Ni钢)，焊缝表面有轻微氧化20％氦＋氩好非常好适中25~35l/min正常为提高等离子体抑制效果，含氦量需达到50％不同保护气下等离子体形态氩气1400w1600w1900w氦气1800w1400w2200w不同保护气体的等离子体的形态明显不同，氦气的等离子体很小。三、能量输出控制3高碳钢，裂纹敏感材料及异种材料高反射材料如铜合金，银合金以及一些铝合金表面杂质含量较多的材料表面金属易挥发的材料，如镀锌板尖峰脉冲激光焊

脉冲前一段用来熔化金属，脉冲尖峰对熔化金属施加一个爆破力，使上下两块板熔合在一起。通常脉冲持续时间为15－20ms,脉冲尖峰时间为几个微秒。这种脉冲形状可以焊接间隙与薄板厚度相同的工件。这种方法对装配精度要求不大。

用于薄板搭接焊

焊接多层薄板。间隙大小与薄板厚度相同。激光—TIG电弧复合铝合金加涂层激光焊

铝合金表面涂硅粉后，焊缝熔深熔宽增大，焊接过程稳定。2mmLF21铝合金3kWNd:YAG激光涂层：硅粉

涂硅粉无涂层四、改善表面状态激光—TIG电弧复合涂料吸收率涂层厚度(mm)磷酸盐>0.900.25氧化锆0.90－氧化钛0.890.20碳黑0.790.17石墨0.630.15不同涂层的吸收率五、激光填丝填粉焊

可用于热输入要求较低的焊接过程，如薄件焊接、热敏感材料焊接、或低变形焊接等。可用于大坡口焊缝；调节焊缝化学成分以及厚板的多道焊。激光填丝焊激光填丝焊焊接低碳钢零件

1、解决了对工件装夹、拼装要求严的问题。

2、用较小功率激光器来实现厚板窄焊道的多层焊。

3、通过调节焊丝成分，改善焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更易控制，利于异种材料及脆性材料的焊接。激光填丝焊焊接铝合金激光填丝焊的熔化机制

能量分配：熔化焊丝＋填充金属汽化＋焊丝表面反射＋穿透焊丝在焊丝的端部，固态焊丝和熔滴均可反射激光束，熔滴的反射约占总焊丝反射的70％左右。

不同送丝方向下焊丝的熔化特性

激光束等离子体保护气体熔池焊丝母材焊缝激光束焊丝熔池焊缝母材铝合金激光填丝焊技术W=0.2mmW=0.4mmW=0.6mm不同间隙下的激光填丝焊焊缝截面3mmLF6铝合金对接，焊丝直径1mm.激光自熔焊激光填丝焊

采用填丝技术改善焊缝成形、提高焊接稳定性与适应性。

光斑直径小(0.15mm)，对送丝精度要求较高。送丝位置合适送丝位置偏离激光填丝焊焊接大厚板4°20窄间隙激光填丝焊

12mm厚钢板激光填丝焊25mm厚钢板激光填丝焊三层34mm厚钢板激光填丝焊四层激光填丝焊焊接大厚板激光填粉焊

激光填粉焊工艺要求更宽松；填充粉末比填充焊丝更易配制；在焊接不连续焊缝时，激光填粉焊具有更高的可靠性。

送粉结构比送丝机构复杂；不易精确控制送入位置；对复杂工件与工件的复杂工位的焊接有一定限制；焊缝的冶金质量较激光填丝焊差。

同轴送粉侧向送粉

3KWCO2激光填粉焊焊接速度：1150~1250mm/min焊缝间隙：0.4~1mm送粉速度：33~53g/min3mm低碳钢板激光填粉焊，焊缝宽度：0.8mm粉末：316不锈钢粉激光填粉焊

串列双光束：改善表面成型，减小飞溅、缩孔及咬边等缺陷。降低冷却速度，改善接头组织性能。并列双光束：降低对间隙、对中、错边的敏感度，适合不等厚度焊接。六、双束激光焊接CO2激光单束光分光形成双光束双光束的分光方式YAG激光的两束光合成双光束第一种机制：一束光进行深熔焊接，另一束光散焦或功率较小，作为热处理热源。焊接裂纹敏感性材料，如高碳钢，合金钢等，可提高焊缝的韧性。第二种机制：两束光在同一熔池内产生两个独立的匙孔，改变熔池流动方式，防止咬边、焊道凸起等缺陷的产生，改善焊缝成形。第三种机制：两束光在熔池中产生一个共同的匙孔，匙孔尺寸变大，不易闭合，焊接过程更加稳定，气体更易排出。

不同光束间距下匙孔及顶部熔池形态

不同参数下的匙孔形态

a)串行db=0.6mmb)串行db=2.0mmc)并行db=2.0mmd)单光束激光—TIG电弧复合铝合金的双光束激光焊接焊缝成形

总功率相同时，双光束焊接焊缝表面成形优于单光束，焊接熔深没有明显增大。单光束串行，L=0.6mm并行，L=0.6mmP=2200W铝合金的双光束激光焊接双光束填丝焊P=1300WVL=1.3m/minP=1400WVL=1.9m/minP=1600WVL=3.0m/min焊缝余高0.41mm背面下塌0.31mm焊缝余高0.46mm背面下塌0.18mm焊缝余高0.27mm背面下塌0.18mm焊缝表面质量满足激光焊接国际标准单光束激光焊:全熔透对接

5083铝合金,3mm单光束激光焊:全熔透对接

1045铝,6.35mm双光束激光焊:全熔透对接

5083铝合金,3mm双光束激光焊:全熔透对接

1045铝,6.35mm双光束焊接铝合金双光束焊接铝合金

德国军用飞机EADS进气管原采用厚壁材料(AA2195Al-Li合金)机械加工而成，现将结构改为蒙皮骨架结构形式，由三个半圆型壳体组装而成。进气管置于机身中部，周围充满燃料，因此对焊接可靠性要求很高。采用两个4KwYAG激光器与6轴机器人进行T型接头焊接，并进行了双光束焊接试验有效抑制气孔。

双光束焊接碳钢碳钢对接接头焊缝(A单光束，B双光束)

材料含碳量为0.45%，两光束间距为10mm。两光束分为主光束和次级光束，主光束提供焊接所需能量，次级光束作为热处理热源。双光束激光焊接能够有效降低焊缝硬度，双光束条件下熔池冷却速度普遍下降，双光束焊接等离子体形态单光束焊接中碳钢双光束焊接中碳钢

双光束等离子体非常稳定,暗示着匙孔一直处于开放状态，从而使得等离子体从匙孔中不断地逸出，匙孔内等离子体的压力值始终保持在一个较低的水平。因此不会出现剧烈的等离子体从匙孔内爆发而出的现象，焊接过程中飞溅较少，焊缝光滑。双光束焊接拼板拼焊板(tailor-weldedblanks.TWBS)技术是指将两块或两块以上的板料,采用焊接方法焊在一起,然后进行冲压成形。这些板料,可以具有不同厚度、性能、材质和表面涂层。

20世纪60年代日本本田汽车公司首先采用了这项技术;1985年德国蒂森钢铁公司生产出第一批宽幅拼焊板,并成功地用于Audi100车底板;1988年3月保时捷工程公司生产出第一辆样车,在这个样车上共采用了16个拼焊板冲压件,车身零件数量约减少20%,质量减轻25%。目前,由拼焊板生产的汽车零部件主要有位于车门两侧的前柱、中柱、后立柱,车门内板、梁、地板、轮罩、内后挡板、横梁缓冲器等。双光束拼焊采用拼焊板的优势:(1)满足零件各部位对材质、厚度、涂层、性能等不同的要求;(2)降低车身质量,从而提供低燃耗、性能优良、安全的环保汽车;(3)提高车辆结构整体性,提高整体刚度,改善装配精度;(4)减少模具数目、降低材料消耗。拼焊板材料：

拼焊板材料主要有钢板、铝合金板、夹层板(钢或铝)、镁合金板等。从减轻中型轿车车身质量方面考虑，高强度钢板、复合材料、铝合金的使用及其拼焊板技术是趋势所在。但是高强度板、铝合金拼焊板的焊接性和冲压成形性则更具挑战性。为了减轻质量,镁合金也有很好的发展前途。如果材料的焊接问题得到解决,异种材料拼焊板也会兴起,如普通钢与不锈钢、钢与铝、镁与铝板组成的拼焊板。双光束焊接不等厚板焊头角度θ旋转角度φ焊偏量间隙v厚板薄板

两束光的功率可根据焊接目的分别进行调整。若两块板的厚度比较大，可采用正的焊头角度，即激光向薄板倾斜；板厚度比较小时，可采用负的焊头角度。通过调节焊偏量可以减少焊缝凹陷量，获得好的焊缝横截面。双光束焊接的有效光束直径有效光束直径1mm1mm1mm

并行双光束45°双光束单光束

有效光束尺寸直接决定了焊缝表面宽度的大小，有效光束尺寸越大，焊缝上下表面越宽。

双光束焊接对间隙的填充能力间隙填充简化模型

假定厚板边缘上的金属熔化来填充缝隙，该边缘的形状大致呈三角形，熔化金属的范围由激光束尺寸决定，即仅仅在光束照射下的材料才熔化。

通常情况下，在采用单激光束焊接时，对接接头两工件间隙量应小于板厚度10%.双光束焊接不等厚板的最大间隙量可提高到板厚的20%左右.凹陷率的控制方法根据ISO13919-2焊接标准，焊缝表面凹陷率不能超过15%。

45°双光束并行双光束焊缝表面凹陷率随间隙量的增大而增加，对应不同间隙量，随有效光束尺寸增大，焊缝表面凹陷率下降，焊缝质量提高。凹陷率的控制方法

采用+45°旋转有利于提高间隙填充能力，降低焊缝表面凹陷率，提高焊缝质量。

正光束旋转角度：前束光入射到厚板上并加热使其熔化，后面光束随后产生穿透。负光束旋转角度：前面光束产生穿透，后面光束随后熔化厚板填充间隙，前光束的预热作用有利于后束光熔化更多厚板材料，间隙填充能力增强。凹陷率的控制方法

采用-6°入射双光束都有利于提高间隙填充能力，降低焊缝表面凹陷率，提高焊缝质量。

光束+6°入射：焊透薄板并熔化掉厚板侧面附近一定量金属来填充间隙，板材金属熔化量相对较小，间隙填充能力相对较低；光束在-6°入射：更多的厚板金属被熔化去填充间隙，薄板边缘板材同时熔化，用于填充间隙的熔化板材金属量相对较大，因此其间隙填充能力得到加强。材料：不锈钢板厚:0.75,2.0mm功率：2×3000W速度:8.0m/min焊缝：0.3mm双光束焊接不等厚板双光束焊接大厚板10kW光束与一个6kW光束焊接20mm厚不锈钢板，0.8m/min

采用双光束激光焊接技术不仅可以提高激光功率，而且还可以提高有效光束加热直径，增加熔化填充焊丝的能力，同时能稳定激光匙孔，提高焊接稳定性，提高了焊接质量。双光束焊接镀锌板采用CO2激光进行焊接，YAG激光在CO2激光前侧，用来打孔和切槽使用，给随后焊接时产生的锌蒸汽提供逸出的通道，防止其滞留在熔池内形成缺陷。七、激光－电弧复合热源焊接激光与电弧相互作用吸引和压缩电弧、提高电流密度，提高焊接熔深。较低功率激光复合一定电流的电弧可获得高功率等级激光的焊接熔深。激光-电弧复合热源焊接有利于降低对间隙、对中、错边的敏感性。交流TIG电弧—激光焊接铝合金有利于氧化膜破碎、小孔形成及稳定、改善成型、降低气孔数量。电弧的辅助加热，可提高激光焊接速度；激光引导电弧，可实现高速TIG焊接。提高熔深低成本高适应性高效率激光－电弧复合热源焊接特点

激光－TIG旁轴复合激光－MIG旁轴复合Electrode1、激光与电弧的旁轴复合激光－TIG激光－MIG旁轴复合电弧

焊枪姿态对焊接效果影响较大，焊接参数调整相对容易，有焊接方向性限制。旁轴复合焊缝激光与电弧的复合方式

激光－TIG同轴复合

电弧对激光激光能量的吸收较小，无方向性限制。但空芯钨极烧损严重、焊接参数不易调节。ShieldgasforlaserShieldgasforarcLaserbeamHollowelectrodeArcWorkpiece同轴复合电弧同轴复合焊缝2、激光与电弧的同轴复合激光－TIG同轴复合electrodearclaserbeam

双束激光与TIG同轴复合多电极TIG与激光同轴复合laserbeam1lensarclaserbeam2激光－等离子弧同轴复合加热区更窄，对外界敏感更小，引燃性好。密度更大，弧长更长。可旁轴复合，也可同轴复合。适合薄板对接、高速焊、镀锌板、铝合金焊接。环状电极同轴复合LaserbeamPlasmatorchPlasmaarcWorkpieceLaserbeamPlasmatorchPlasmaarcWorkpiece空心电极同轴复合3、激光－电弧复合枪CO2激光用的重型焊接头

Nd:YAG激光用的超细焊接头4、激光－双电弧复合

能量输入比普通激光－MIG复合减少，熔深增大。焊接速度更高，焊接过程更稳定。相互之间位置的排布非常重要。尤其适合焊接厚板。激光－双MIG复合

焊接速度比一般的激光－MIG复合热源提高33％，比埋弧焊提高800％。单位长度的能量输入比普通的激光－MIG复合热源减少25％，比埋弧焊减少83％，且焊接过程非常稳定，远远超过普通激光－MIG复合热源的焊接能力。

1、复合电弧形态与电流密度分布纯电弧复合电弧激光对电弧的吸引与压缩吸收激光能量后电弧的膨胀

激光形成的匙孔对电弧有明显的压缩与吸引作用,稳定焊接过程,显著提高能量密度.

大电流电弧严重吸收激光能量，难以维持匙孔,导致电弧膨胀，能量密度急剧下降.激光－TIG电弧复合热源焊接

纯电弧电流密度复合电弧电流密度电流密度分布特征

在激光的压缩作用下，复合电弧的电流密度比普通电弧提高１0～20倍.但只是在一定能量匹配条件下的有限增强.

通过图像处理技术精确提取弧根尺寸，计算复合电弧作用于工件表面的能量密度。

2、激光穿过等离子体的吸收、折射行为检测原理铜板有机玻璃激光

电极有机玻璃烧蚀情况

通过有机玻璃的烧蚀深度与宽度定量分析电弧对激光的吸收与折射规律。

电弧电流越大，激光穿过电弧等离子体后的能量损失越多。I=0AI=80AI=150AI=200A

I=80AI=120AI=160AI=200AI=240A

I=50AI=130A复合热源焊接熔池温度场

由于电弧等离子体对激光能量的影响，复合焊接随电流变化表现为深熔焊、热导焊两种传热特性。获得实现“能量增强效应”的热源匹配原则。3、复合热源的焊接温度场分布纯电弧压缩电弧膨胀电弧I=190A复合焊接能量增强的临界条件深熔焊热导焊

不同焊接方法的熔合区、匙孔及焊缝形态电弧焊激光焊复合焊

复合热源焊接时熔池中匙孔直径与深度增大，焊接稳定性增强、效率提高。

电弧焊激光焊复合焊

复合焊接熔池尺寸随电流的变化焊接熔深焊接熔宽

4、电弧形态的视觉传感与特征信息提取电弧图像视觉传感与图像处理系统5mm6.35mm050A70A90A110A130A电极高度激光作用点电弧拐点的变化规律电弧膨胀过程根部尺寸变化

采用小波技术进行电弧边缘信息的精确提取，对复合电弧复杂变化特征进行计算分析。

5、不同电弧形态下的熔深特征分析

CO2激光－TIG电弧旁轴复合CO2激光－TIG电弧同轴复合

YAG激光－TIG电弧旁轴复合

受电弧形态影响，随焊接电流增大，焊接熔深只能有限增加。4mm低碳钢板

激光维持燃烧波的出现大大降低能量密度，对电弧形态与焊接形貌有严重影响。稳定的复合电弧与激光等离子体激光维持燃烧波对复合电弧与等离子体的影响稳定复合焊接焊缝形貌复合焊接激光焊复合焊接激光焊不稳定复合焊接焊缝形貌不稳定焊接过程稳定焊接过程

相位对焊缝成形的影响激光、电弧能量的脉冲波形控制连续焊接脉冲协调控制脉冲协调控制焊缝

通过控制两种热源的作用频率与相位差有效抑制等离子体的影响，实现激光－TIG复合热源的稳定焊接。申请国家发明专利。激光-TIG复合焊接的脉冲协调控制技术

6、激光－TIG复合热源焊接性能激光焊激光—TIG复合焊TIG焊0mm间隙0.2mm间隙0.4mm间隙激光－TIG复合焊接对间隙的适应性(2mm板厚，800W,100A,1m/min)0.25mm间隙对接（2mm板厚，1200W,120A,1.5m/min）

薄壁件采用激光－TIG复合焊接可以获得较高的焊接稳定性与适应性。2mm不锈钢，允许最大焊接间隙0.4mm。间隙适应性╳╳

2mm不锈钢，允许最大对中偏离0.5mm。激光焊接（2mm板厚，800W,1m/min）偏0.2mm偏0.4mm激光－TIG复合焊接（2mm板厚，800W,100A,1m/min）对中

对中偏0.5mm偏1mm对中适应性激光焊激光－TIG复合焊TIG焊2mm板厚，1400W，150A，3.5m/min╳╳╳╳错边适应性Nd:YAG激光焊激光—TIG复合焊接激光—TIG复合热源填丝焊激光－MIG复合热源焊接利用填丝提高熔深、改善焊缝成型和接头性能。对间隙、错边、对中的适应性更好，可焊接厚板。适合焊接铝合金、镁合金、铜合金材料

非稳定短路过渡稳定短路过渡4mm非稳定熔滴过渡的焊缝形貌稳定熔滴过渡的焊缝形貌

激光的加入改变了原有的稳定焊接区间范围与熔滴过渡频率；增大保护气体压力，有利于稳定熔滴过渡，提高能量的利用率。

等离子体多稳定复合焊接电弧不稳熔滴稳定过渡区间1、激光-MIG复合焊接的熔滴过渡控制技术

2、激光－MIG复合热源焊接性能MIG焊激光－MIG复合焊2mm间隙,4mm铝合金,1200W,150A,1m/min)MIG焊激光－MIG复合焊2mm间隙,10mm铝合金,2000W,280A,0.8m/min)坡口角度间隙10˚坡口20˚坡口30˚坡口激光－MIG复合焊

（10mm铝合金,2000W,280A,1m/min)

中厚构件采用激光－MIG复合焊接可以获得较高的焊接稳定性与焊接效率。╳

电弧焊、激光焊、复合热源焊接比较结果搭接接头的复合热源焊接汽车框架结构，实现了间隙