激光焊接原理及工艺应用

激光焊接原理及工艺应用1、激光原理及特性什么是激光?镭射=激光=LASERLASER是英文的“受激辐射光放大”的首字母缩写。激光产生的原理能级

物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成。电子围绕着原子核运动。而电子在原子中的能量不是任意的。描述微观世界的量子力学告诉我们，这些电子会处于一些固定的“能级”，不同的能级对应于不同的电子能量，离原子核越远的轨道能量越高。此外，不同轨道可最多容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道）最多只可容纳2个电子，较高的轨道上则可容纳8个电子等等。跃迁

电子可以通过吸收或释放能量从一个能级跃迁到另一个能级。例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能级跃迁至一个较高的能级。同样地，一个位于高能级的电子也会通过发射一个光子而跃迁至较低的能级。在这些过程中，电子释放或吸收的光子能量总是与这两能级的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。受激吸收受激吸收就是处于低能态的原子吸收外界辐射而跃迁到高能态。电子可通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。受激辐射受激辐射是指处于高能级的电子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。自发辐射是指高能级的电子在没有外界作用下自发地迁移至低能级，并在跃迁时产生光（电磁波）辐射，辐射光子能量为hυ=E2-E1，即两个能级之间的能量差。粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。

但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。这需要利用激活媒质。所谓激活媒质(也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。三能级结构当粒子受外界能量激励从E1到E3，由于E3能级寿命短，很快转移到E2上，因能级E2为亚稳态，在E2、E1间实现粒子数反转分布。下能级E1为基态，通常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到E2上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。四能级结构常见激光器中，掺钕钇铝石榴石（简Nd3+:YAG）激光器，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。激光产生条件1、激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。显然，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。2、激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。泵浦灯

氙灯为惰性气体放电灯，我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙（Xe）气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率，又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯管内充入氙气。Nd：YAG激光棒Nd：YAG（掺钕的钇钇铝石榴石石）是目前前最常用的的一类固体体激光器。。YAG是一种立方方结构晶体体，质地很很硬、光学学质量好、、热导率高高。用三价价钕代替了了晶体中部部分的三价价钇，因此此称为掺钕钕的钇铝石石榴石。3、谐振腔有了合适的的工作物质质和激励源源后，可实实现粒子数数反转，但但这样产生生的受激辐辐射强度很很弱，无法法实际应用用。还需要要将辐射的的光进行放放大，于是是人们就想想到了用光光学谐振腔腔进行放大大。所谓光学谐谐振腔，实实际是在激激光器两端端，平行装装上两块反反射率很高高的镜片，，一块为全全反射镜片片，一块为为部分反射射、少量透透射镜片。。全反射镜镜片的作用用是将入射射的光全部部按原路径径反射回去去，部分反反射镜片的的作用是将将能量未达达到一定限限度的部分分光子按原原路径反射射回去，而而达到一定定能量限度度的光子则则透射而出出。这样，，透射而出出的这部分分光子就成成为我们需需要的，经经过放大了了的激光；；而被反射射回工作介介质的光，，则继续诱诱发新一轮轮的受激辐辐射，光将将逐渐被放放大。因此此，光在谐谐振腔中来来回振荡，，造成连锁锁反应，雪雪崩似的获获得放大，，产生强烈烈的激光，，直到能量量达到一定定的限度，，从部分反反射镜片中中输出。激光谐振腔腔光学谐振腔腔图2-6图2-7谐振腔结构M1100%M298%L激光谐振腔腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的热焦焦距d1：棒中心到到半反的距距离d2：棒棒中中心心到到全全反反的的距距离离R1：全全反反曲曲率率半半径径R2：半半反反曲曲率率半半径径b=d1+d2-d1d2/f稳定定腔腔:0<G1*G2<1介稳稳腔腔:G1*G2=1或G1*G2=0非稳稳腔腔:G1*G2<0或G1*G2>1激光光特特点点相干干性性好好：：普通通光光源源上上不不同同点点发发出出的的光光在在不不同同方方向向上上、、不不同同时时间间里里都都是是杂杂乱乱无无章章的的，，经经过过透透镜镜后后也也不不可可能能会会聚聚在在一一点点上上。。激光光与与普普通通光光相相比比则则大大不不相相同同。。因因为为它它的的频频率率很很单单纯纯，，从从激激光光器器发发出出的的光光就就可可以以步步调调一一致致地地向向同同一一方方向向传传播播，，可可以以用用透透镜镜把把它它们们会会聚聚到到一一点点上上，，把把能能量量高高度度集集中中起起来来，，这这就就叫叫相相干干性性高高。。一一台台巨巨脉脉冲冲红红宝宝石石激激光光器器的的亮亮度度可可达达1015w/cm2··sr，比比太太阳阳表表面面的的亮亮度度还还高高若若干干倍倍。。方向向性性强强激光光的的方方向向性性比比现现在在所所有有的的其其他他光光源源都都好好得得多多，，它它几几乎乎是是一一束束平平行行线线。。如如果果把把激激光光发发射射到到月月球球上上去去，，历历经经38.4万公公里里的的路路程程后后，，也也只只有有一一个个直直径径为为2km左右右的的光光斑斑。。单色色性性好好：受激激辐辐射射光光（（激激光光））是是原原子子在在发发生生受受激激辐辐射射时时释释放放出出来来的的光光，，其其频频率率组组成成范范围围非非常常狭狭窄窄，，通通俗俗一一点点讲讲，，就就是是受受激激辐辐射射光光单单色色性性非非常常好好，，激激光光的的““颜颜色色””非非常常的的纯纯（（不不同同颜颜色色，，实实际际就就是是不不同同频频率率））。。激激光光的的单单色色性性是是实实现现激激光光加加工工的的重重要要因因素素。。我我们们可可以以通通过过简简单单的的物物理理实实验验来来说说明明这这个个问问题题亮度度高高激光光器器分分类类对激激光光器器有有不不同同的的分分类类方方法法，，一一般般按按工工作作介介质质的的不不同同来来分分类类，，在在可可以以分分为为固固体体激激光光器器、、气气体体激激光光器器、、液液体体激激光光器器和和半半导导体体激激光光器器。。另外外，，根根据据激激光光输输出出方方式式的的不不同同又又可可分分为为连连续续激激光光器器和和脉脉冲冲激激光光器器，，其其中中脉脉冲冲激激光光的的峰峰值值功功率率可可以以非非常常大大，，还还可可以以按按发发光光的的频频率率和和发发光光功功率率大大小小分分类类。。固体体激激光光器器一般般讲讲，，固固体体激激光光器器具具有有器器件件小小、、坚坚固固、、使使用用方方便便、、输输出出功功率率大大的的特特点点。。这这种种激激光光器器的的工工作作介介质质是是在在作作为为基基质质材材料料的的晶晶体体或或玻玻璃璃中中均均匀匀掺掺入入少少量量激激活活离离子子，，除除了了前前面面介介绍绍用用红红宝宝石石和和玻玻璃璃外外，，常常用用的的还还有有钇钇铝铝石石榴榴石石（（YAG）晶晶体体中中掺掺入入三三价价钕钕离离子子的的激激光光器器气体体激激光光器器具有有结结构构简简单单、、造造价价低低；；操操作作方方便便；；工工作作介介质质均均匀匀，，光光束束质质量量好好；；以以及及能能长长时时间间较较稳稳定定地地连连续续工工作作的的有有点点。。其其中中，，氦氦－－氖氖激激光光器器是是最最常常用用的的一一种种。。半导导体体激激光光器器半导导体体激激光光器器是是以以半半导导体体材材料料作作为为工工作作介介质质的的。。目目前前较较成成熟熟的的是是砷砷化化镓镓激激光光器器，，发发射射840nm的激激光光。。另另有有掺掺铝铝的的砷砷化化镓镓、、硫硫化化铬铬硫硫化化锌锌等等激激光光器器。。激激励励方方式式有有光光泵泵浦浦、、电电激激励励等等。。这这种种激激光光器器体体积积小小、、质质量量轻轻、、寿寿命命长长、、结结构构简简单单而而坚坚固固，，特特别别适适于于在在飞飞机机、、车车辆辆、、宇宇宙宙飞飞船船上上用用。。在在70年代末期，由由于光纤通讯讯和光盘技术术的发展大大大推动了半导导体激光器的的发展。液体激光器常用的是染料料激光器，采采用有机染料料最为工作介介质。大多数数情况是把有有机染料溶于于溶剂中（乙乙醇、丙酮、、水等）中使使用，也有以以蒸气状态工工作的。利用用不同染料可可获得不同波波长激光（在在可见光范围围）。染料激激光器一般使使用激光作泵泵浦源，例如如常用的有氩氩离子激光器器等。液体激激光器工作原原理比较复杂杂。输出波长长连续可调，，且覆盖面宽宽是它的优点点，使它也得得到广泛应用用。激光器分类CO2激光器YAG激光器半导体激光器光纤激光器其它激光器YAG脉冲激光焊接接机由于加工工精度高，热热输入量小，，工件变形小小，生产效率率快，自动化化程度高等优优点，被广泛泛应用于IT消费类电子产产品的加工制制造中2、激光焊接原原理及特性激光焊接原理理激光焊接原理理激光焊接是利利用激光束优优异的方向性性和高功率密密度等特性进进行工作，通通过光学系统统将激光束聚聚焦在很小的的区域内，在在极短的时间间内使被焊处处形成一个能能量高度集中中的热源区，，从而使被焊焊物熔化并形形成牢固的焊焊点和焊缝。。激光焊接原理理激光焊接一般般分为热传导导焊接和深熔熔焊激光功率密度度为105~106w/cm2形成激光热传传导焊激光功率密度度为105~106w/cm2形成激光深熔熔焊激光焊接的特特性与其它焊接方方式相比，激激光焊接具有有以下特性：：能量集中，焊焊接效率高、、加工精度高高，焊缝深宽宽比大热输入量小，，热影响区小小，工件残余余应力和变形形小非接触式焊接接，光纤传输输，可达性较较好，自动化化程度高接头设计灵活活，节省原材材料焊接能量可精精确控制，焊焊接效果稳定定，焊接外观观好激光焊接的特特性焊接方式热影响区热变形焊缝质量是否添加焊料焊接环境激光焊接较小较小较好否无要求电子束焊较小较小较好否真空等离子弧焊一般一般一般是需电极电阻焊较大较大一般否需电极氩弧焊较大较大一般是需电极钎焊一般一般一般是整体加温各种焊接方式式比较3、金属材料的的激光焊接工工艺钢及其合金的的焊接316L不锈钢激光点点焊316L不锈钢激光点点焊焊点截面面不锈钢使用普普通方波即可可获得良好的的焊接效果设计焊接结构构时，尽量使使焊点远离非非金属物质为满足强度及及外观要求，，应尽量预留留足够的焊接接区域及工件件厚度焊接时应、保保证工件的清清洁度及环境境的干燥度铝及其合金的的焊接铝合金螺柱激激光点焊铝合金螺柱激激光点焊铝合金材料反反光率很高，，焊接时需要要较高的激光光峰值脉冲点焊时易易产生裂纹，，影响焊接强强度材料成份易产产生偏析，容容易产生飞溅溅，应选择较较好的原材料料一般使用大光光斑和长脉宽宽可以取得较较好的焊接效效果铜及其合金的的焊接紫铜密封缝焊焊黄铜插接件缝缝焊铜材料反光率率相比铝合金金更高，焊接接激光峰值更更高，激光头头需倾斜一定定角度针对一些铜合合金，如黄铜铜、白铜等，，受合金元素素影响，焊接接难度较大，，焊接时需注意工艺参数数的选择异种金属焊接接铝合金与镀金金磷铜小片点点焊铝合金与镀金金磷铜小片点点焊能否形成固溶溶体异种金属之间间的负电性差差异是否较大大其它影响因素素异种金属焊接接能否形成固溶溶体，异种金金属在液态及及固态下能否否互溶，只有有能无限互溶溶时，才能形成牢固焊焊接接头，一一般只有两者者之间的原子子半径差小于于14%~15%时，才能形成溶解度较较大甚至无限限互溶的固溶溶体异种金属之间间的负电性差差异是否较大大，相差越大大，则他们之之间的化学亲亲和力就越强，就越倾倾向于生成化化合物而不利利于形成固溶溶体，所形成成的固溶体溶溶解度也就越小，其焊焊接接头强度度也越低此外，异种金金属焊接还跟跟材料之间的的熔点、线膨膨胀系数、导导热率、比热热、氧化性、反光率等等性能有很大大关系，这些些物理特性相相差越大，则则越难焊接，，所形成的焊接接头强强度越差通常钢与铜、、铝和镍、铜铜和镍等异种种金属材料的的激光焊接性性都比较好，，能获得较好的焊接质质量异种金属能否否形成优质焊焊接接头主要要取决于被焊焊金属的物理理性能、化学学性能、化学学成分和工艺艺措施，通常常从以下几个个方面考量：：4、激光焊接常常见缺陷及应应对措施激光焊接常见见缺陷及应对对措施焊点表面飞溅溅内部焊接气孔孔出现焊接裂纹纹产生焊接变形形激光焊接时工工艺参数不正正确，措施不不良，往往会会导致一些焊焊接缺陷的产产生：焊点表面飞溅溅焊接飞溅激光焊接时产产生飞溅的主主要原因是激激光功率密度度过高，工件件在短时间内内吸收了较多的激光能能量，材料严严重气化，熔熔池反应剧烈烈形成焊接飞飞溅，飞溅不不仅影响工件的外观和装装配精度，更更会影响焊接接强度，造成成产品不良激光焊接时产产生的飞溅焊点表面飞溅溅引起飞溅具体体原因，可以以归纳为以下下几点：激光峰值功率率过高，形成成焊接飞溅焊接波形不合合适，对高反反射率材料未未使用合适波波形焊接材料成份偏析析，造成局部部吸收率提高高，形成焊接接飞溅工件表面有污污物或非金属属物质，造成成吸收率提高高，形成焊接接飞溅两工件之间或或工件底部有有低熔点物质质，焊接时形形成大量气体体，造成飞溅溅焊接部位形成成中空的封闭闭空间，焊接接时空间内的的空气受热膨膨胀形成飞溅溅防止飞溅的措措施一般从以下几几个方面来改改善焊接效果果，防止焊接接飞溅：优化焊接焊接接工艺参数，，如降低峰值值功率或使用用尖峰波选用合格优质质的原材料加强焊前清洗洗，祛除油污污杂质合理设计焊接接结构焊点内部气孔孔气孔是激光焊焊接中最常见见的缺陷，激激光焊接热循循环快，熔池池存在的时间间短，造成焊接时形形成的气体来来不及从熔池池中溢出，从从而形成焊接接气孔焊接气孔激光焊接时产产生的气孔气孔的分类激光焊接时常常见的气孔一一般可以分为为以下几类：：氢气孔一氧化碳气孔孔小孔坍塌气孔孔气孔的预防措措施气孔是激光焊焊接时的常见见缺陷，应跟跟据气孔产生生的机理采取取相应的预防防措施：减小气孔来源源工件表面水、、油污、氧化化膜等融入熔熔池，发生冶冶金或物理，，析出气体，，当气体来不不及溢出熔池池，就会形成成气孔，因此此焊接前应做做好工件清洗洗工作，甚至至增加预热，，可有效减小小气孔产生几几率延长熔池存存在时间由于激光焊焊接的特性性，其热循循环时间快快，熔池存存在时间短短，熔池中中析出的气气体往往来来不及金属属就凝固了了，所以延延长熔池存存在的时间间也是减少少气孔产生生的一个有有效方法，，具体做法法可以延长长焊接脉宽宽改变离焦量量焊接时，激激光在焦点点或负离焦焦位置焊接接时，熔池池反应剧烈烈，合金元元素气化严严重，往往往成为产生生气孔的气气体来源，，当改变离离焦位置，，使焊接能能量更加柔柔和，则可可减少金属属元素气化化形成的气气孔焊前处理方方法工艺材料脱

脂碱

洗冲洗中和光化冲洗干燥NaOH溶液质量分数温度（℃）时间(min)HNO3溶液质量分数温度（℃）时间(min)纯铝汽油煤油6%～10%40～50≥20清水30%室温1～3清水风干或低温干燥燥铝镁、铝锰合金汽油煤油6%～10%40～50≥7清水30%室温1～3清水风干或低温干燥以铝合金为为例，可以以采用化学学或机械两两种焊前处处理方式来来减少气孔孔等焊接缺缺陷：化学清洗机械清理先用有机溶溶剂(丙酮、松香香或汽油)擦拭焊件表表面的油污污，然后用用细铜线刷刷至表面露露出金属光光泽，或者者用刮刀清清理表面焊接裂纹激光焊接时时产生的裂裂纹激光焊接时时裂纹危害害很大，严严重影响工工件的焊接接强度，降降低工件的的使用寿命命，因此预防裂纹纹有重要意意义，激光光焊接加热热冷却时间间快，加大大了材料产产生裂纹的的几率，必须采取取一定措施施加以改善善裂纹的分类类热裂纹，包包括结晶裂裂纹、多变变化裂纹和和液化裂纹纹冷裂纹，包包括延迟裂裂纹、淬硬硬脆化裂纹纹和低塑性性脆化裂纹纹再热裂纹，，主要指消消除应力热热处理裂纹纹和SR裂纹层状撕裂按照裂纹形形成机理，，裂纹可分分成以下几几类：裂纹的预防防激光焊接主主要生成的的是热裂纹纹，在焊接接铝合金和和高碳高合合金钢时常常常产生裂纹，，预防措施施如下：焊接某些牌牌号的铝合合金或高碳碳高合金钢钢时，由于于材料脆硬硬倾向大，，在波形上需增加加预热跟缓缓冷波段，，以减少裂裂纹倾向或或降低开裂裂程度，增增加焊接强度在焊接接头头选择设计计时，尽量量减少焊接接应力的产产生，降低低焊接时的的裂纹倾向选择合适的的焊接材料料，在同等等性能的情情况下，尽尽量选用裂裂纹倾向小小的材料焊接变形在焊接薄板板大幅面多多焊点时，，往往易产产生焊接变变形，影响响后期工件件装配精度和使用性性能，焊接接时一种局局部加热的的材料加工工方式，焊焊接变形形形成的原因是工件各各部分焊接接热输入不不均匀，热热胀冷缩不不一致造成成焊接变形形，因此需要从变形形产生的原原因加以预预防或改善善：优化工艺参参数，减少少热输入量量，如增加加激光峰值值，减小焊焊接脉宽，，在不影响焊接表表面质量的的前提下可可有效减小小焊接变形形量降低焊接速速度和平率率，使单位位时间内输输入工件的的热量减小小，则焊接接变形量随之减小小优化焊接顺顺序，使工工件各部分分受热均匀匀，也是减减小焊接变变形的一种种有效方法THANKYOU！9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。21:29:0721:29:0721:2912/28/20229:29:07PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。12月-2221:29:0721:29Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。21:29:0721:29:0721:29Wednesday,December28,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2221:29:0721:29:07December28,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。28十十二月20229:29:07下午午21:29:0712月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:29下下午午12月月-2221:29December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2821:29:0721:29:0728December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。9:29:07下下午9:29下下午午21:29:0712月月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:29:0721:29:0721:2912/28/20229:29:07PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2221:29:0721:29Dec-2228-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。21:29:0721:29:0721:29Wednesday,December28,202213、不不知知香香