第3章 激光加工技术

第三章激光加工技术

3.激光表面改性技术2.激光焊接1.激光打孔和切割4.激光清洗技术

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3.1激光打孔和切割1、激光打孔在元件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔，用普通的机械加工工具怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中，多层印刷电路板的生产，就要求在板上钻成千上万个直径约为0.1～0.3毫米的小孔。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，加工质量不容易保证，加工成本不低。早在本世纪60年代后，科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔，经过近30年的改进和发展，如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难，而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。

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激光打孔原理：加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。

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1）、功率密度要求106~109W/cm2的脉冲激光2）、孔深（激光打孔宜采用高功率密度的脉冲激光打孔。）

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3）、打孔质量的影响因素（脉宽和聚焦位置）怎样用好激光“钻头”？A、脉冲能量一定时：脉宽增加，功率密度下降，融熔了的材料没有办法充分汽化，却把在它附近的材料加热，使熔化层增厚，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲，这时每个光脉冲平均的能量并不很高，但由于光脉冲的宽度窄，功率水平却不低。于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多，主要是发生汽化。由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单脉冲打孔时出现的事。打出的小孔形状和大小就规整得多了。B、焦点位置的选择：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。

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离焦量对打孔质量的影响※激光打孔中离焦量对打孔的影响

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4）、激光打孔的应用陶瓷·Φ0.5mm孔·激光打孔

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叶片是喷气涡轮发动机的重要部件之一。工作状态下，该部件在高温燃气中高速旋转。为提高叶片的耐高温性能，人们正在积极研制一种新型叶片，该叶片具有特殊的中空结构，并在表面用激光打孔工艺制作了一系列与中空部分贯通的小孔。工作时向叶片中空部分不断灌入冷气，经小孔泄出后在叶片表面形成冷气保护膜。这样叶片虽处于高温燃气之中，其本身温度相对而言并不很高。显然，这种设计极大地改善了叶片的耐高温性能，有益于延长叶片的使用寿命。叶片·Φ0.5mm小孔·激光打孔

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过滤板·82万个Φ0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)国家电力公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第11.3.1.1及11.3.1.2条发电机内冷水系统滤网需要将钢丝、铜丝滤网等更换为激光打孔的不锈钢板新型水过滤器滤网，防止滤网破碎进入发电机线圈。采用了高强度激光打出的微孔不锈钢网板，可阻挡杂质及颗粒进入发电机线棒，防止杂质堆积造成线棒阻塞的事故发生。

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治疗冠心病的最后一招心肌激光打孔

心肌激光打孔术的“灵感”源于鳄鱼、蛇等两栖类动物。早在1933年就有科学家发现两栖类动物的心外膜冠脉系统不发达，心肌呈海绵状，内有大量的管状腔隙及窦状隙与心腔相通。两栖类动物的心肌血供并非来自冠脉系统，而是左室腔内的氧饱和血通过心肌内腔隙直接灌注到心肌。1965年医生们试着采用针头穿刺心肌产生心肌内孔道以达到心肌血运重建的目的。80年代以后，应用激光进行心肌血运重建获得成功。激光心肌血管重建手术分为两类：一是心外膜法，即开胸式，是从心外膜向心腔内打孔，直至将心肌打穿形成隧道。另一种是心内膜法，它是将激光通过光导纤维从股动脉进入左心室，从左心室心内膜向外打孔形成隧道，但不需要打穿心肌。它可以做到创伤很小，在心内科即可操作。

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激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。

目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

A、金刚石拉丝模的激光打孔激光加工金刚石模具，不仅能节省许多昂贵的钻石粉，而且与常规的机械超声加工法相比，提高了加工效率。用机械钻孔机打通一个20点的金刚石需要24小时，而用激光仅需10分。单脉冲激光打孔的孔深小于1mm，对应的孔径为0.005~0.4mm；多脉冲激光打孔的孔深可达3mm，最大孔径可达1mm。

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B、脉冲YAG激光打精密孔例如用脉冲YAG激光能在厚度为1mm的珍珠宝石上打出16个直径为0.2mm的高精度系列孔，加工精度为±0.03mm，孔间隔为0.01mm，加工速率为每分钟打一个孔。用脉冲YAG激光对0.005mm厚的钛和钼薄箔进行打孔，孔径可达0.02mm；用脉冲YAG激光对0.07mm厚的氧化铝陶瓷材料打孔，孔径为0.15mm，打孔精度为±

0.2mm。C、脉冲CO2激光打孔像钢铁之类的金属材料对YAG波长激光吸收率较高，故宜采用YAG激光打孔。但是，陶瓷、玻璃和塑料之类的非金属材料对CO2激光具有较高的吸收率。因此对这类非金属材料适合采用脉冲CO2激光打孔。此外普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质（比如除臭剂、油料或者其他液体）的流量，阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。这只小孔的直径为10微米到40微米，用其他机械加工方法不那么好做，用激光来加工，能保证质量，每小时还可以打4万个小孔呢！

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2、激光切割1）、激光切割工作原理激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。

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2）、激光切割的特点G、噪声低，无公害A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度0.05--0.1mm，热畸变形小。F、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。割缝窄。一般为0.1--1mm。

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3）激光切割分类※汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无熔化材料的切割方式，适用木材、塑料等。

※熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右，适合金属材料。

※氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。适用金属材料。

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聚焦能力与它光束模式有关。基模(TEM00)，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。4)、影响激光切割质量的因素激光切割质量包括：影响激光切割质量的因素：割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。B、光束模式

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焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。由图可知；在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。C、焦点位置

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※与金属产生放热化学反应，增加能量强度。※从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；※冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；※保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。D、辅助气体和喷嘴辅助气体的作用是：喷嘴的设计原则※喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。※喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。气流量与喷嘴尺寸关系

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E、切割速度:在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。激光切割对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。而这些都与气流作用在工件表面的滞止压力有关，可称之为切割压力。为了得到高的切割速度和切口质量，切割压力应该大。当Pn/Pa=3，喷出超音速气流

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5)、金属材料激光切割A、激光器：快轴流CO2激光器B、切割参数：

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C、影响激光切割质量的因素：激光切缝表面的切缝宽度和热影响区均随激光切速的增加而减小，并在切缝下表面切缝的宽度和热影响区最小。

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切缝宽度和热影响区与激光切速关系。

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焦点位置对切口粗糙度的影响

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喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响

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吹气压力与切割速度关系

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几种切割方式的比较

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6）、非金属激光切割A、激光器：CWCO2激光器，不超过500w的中等激光功率。B、所需的激光功率：Q材料蒸发所需的能量（KJ/cm3）W切缝宽（cm）L板厚（cm）V切割速度（cm/s）

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对于非金属材料，Q值可以小于0.4kJ·cm-3，而对于玻璃类材料，Q值高于100kJ·cm-3。

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到目前为止，激光可用来切割木材、纸张、布匹、塑料、橡胶、复合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。例如用激光切割木材可大大减少噪声。用激光切割纸张，切速高达15m/s。激光用于切割航空行业中的复合材料也越来越普遍。激光裁剪布料，不仅可省料15％，且裁纹质量好，裁剪后的布料无毛边。化纤衣料的激光裁剪不需要收边，可以省去拷边工序。用计算机控制的激光切割机，可将所有衣服的祥式与尺寸存储到磁盘上，按一下控制健就可以得到所需的布料。例如休斯公司开发的激光裁剪机，裁剪速度达61m/min，每小时激光可裁剪40~50套服装。目前美、英服装公司均采用激光裁剪机裁剪布料。非金属材料的激光切割应用前景

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过量光照引起病理效应一览表3、激光加工安全问题

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1）激光对眼睛的危害对红外和远红外眼是不透明的，这种辐射所造成的损伤部位又回到了角膜关于光谱的这一部分损伤数据来于二氧化碳激光器，其损伤在本质上是热过程。对于强光辐射，人体最易受伤的是眼。至于眼何处受伤则决定于光波波长。紫外线：能为角膜等物质中的各种核酸和蛋白质所吸收，受到这种射线的照射，将引起角膜炎。引起最厉害角膜炎的光波波长是0.208微米（角膜的敏感峰）。可见光和近红外：最易受伤的部位是视网膜。原因是角膜、晶状体等既对它们是透明的，又对它们有焦聚作用。这种光绝大部分能达到眼底，并为色素上皮层和脉络膜所吸收。红外线和远红外线：损伤部位是角膜。

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2）激光对皮肤的危害激光辐射对眼的损伤，特别是对视网膜的损伤，也有可能是不可逆的，一般皮肤受伤比眼睛易于恢复。显然，皮肤损伤居于次要地位。然而，在激光加工中使用脉冲激光能量密度接近几焦尔每平方厘米时，或者连续激光功率达到每平方厘米0.5瓦时，皮肤就可能遭受严重损伤。皮肤可分为两层，最外面的是表皮，内面的是真皮。表皮没有血管，但含有一些神经。位于表皮下层的黑色素确定了皮肤的颜色。黑色素粒越多，皮肤的颜色就越黑．表皮中含有汗脓、血管、淋巴管、神经、发脂腺和脂肪细胞等。皮肤含有水，至少在遇到黑色素粒之前，对大多数类型的激光是透明的．黑色素粒是皮肤中主要的吸光体．黑色素粒对可见光、近紫外线和红外线的光谱反射比有明显的差异，人体皮肤颜色对反射比也有很大的影响．极白肤色的人反射比较高，吸收辐射能量较少，反之，黑色皮肤吸收能量较多，更易受伤。

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3）有害气体危害由激光切割、激光打孔及激光焊接产生的反应物及汽化的加工材料，可能使大气污染，其浓度可能高到危及人员的健康。其中可能包括产生的氧化铁、氧化铜和氧化锌等金属氧化物烟雾，铅、汞、镍和钽等金属烟雾和尘埃；激光器泄漏的激光工作物质如溴气、氯气、氰化氢、碘、硒化合物、一氧化碳和二氧化碳等，闪光灯产生的臭氧。4）电气危害使用激光设备时所发生的电击死亡事故，很可能比激光束照射所造成的死亡事故更多。根据报道，在美国已经发生数起因为进行与激光有关的工作而触电死亡的事故。大多数激光设备使用高电压(＞1kv)，具有电击危险。脉冲激光设备的电容器贮有能量时特别危险，我们了解到，国内、外都曾经发生过高压电容器造成电击危害。当电容器放电通过人体并超过50J时，就有可能损伤心脏。

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激光打标技术现状及发展前景概述：激光打标是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。激光打标的优点：

(1)标记速度快，字迹清晰、永久。

(2)非接触式加工，污染小，无磨损。

(3)操作方便，防伪功能强。

(4)可以做到高速自动化运行，生产成本低。激光打标原理：是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化,从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。

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国内激光打标的发展历程激光打标设备的核心是激光打标控制系统。从1995年到2003年短短的8年时间，控制系统在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。国内激光打标的市场现状生产销售的企业有30多家，主要分布在武汉、北京、深圳、南京和广州等地激光标刻系统的销售额：YAG激光器

2001年为1.9亿元，占当年激光加工销售总额的32.7%

2002年为2.48亿元，占当年激光加工销售总额的33.5%

2003年为3.33亿元，占当年激光加工销售总额的34.0%。

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目前：激光打标使用的Nd：YAG激光器多是以氪灯或氙灯来泵浦的，泵浦效率很低，激光器的总效率只能达到2％～5％，这种激光打标机都配有庞大的冷却系统，其体积可占整个系统体积的40％。将来：半导体激光泵浦的固体激光器，总体转换效率可达20％以上，大大缩小激光器冷却系统的体积，这为激光打标机向轻型化、小型化方向发展创造了条件；

大功率光纤激光器，其散热性能好、转换效率高（是半导体激光泵浦的固体激光器的2倍以上）、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护和价格低廉、制作灵活等显著优势，更加促进了激光打标向轻型化、小型化方向发展。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准，我国也非常重视这一技术，国家科委已将该技术列为“八五火炬计划”进行研制和推广。激光打标具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。激光打标的发展趋势

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焊接技术发明至今已有百余年历史，现在全世界所有大工业的产业，像航天航空、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、武器装备及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术，焊接是其最主要的工艺。焊接热源：已非常丰富，如火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等。焊接的基本原理：就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在这个同时，又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。焊接是一个安全要求非常高的一种先进工艺。如果焊接质量要出现问题，所造成的危害是毁灭性的。----四川重庆的綦虹桥，突然断裂，是焊接质量问题----韩国的汉江大桥突然断裂，也是焊接质量问题。现代焊接技术简介

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发达国家，它每年钢产量的50％到60％需要进行焊接加工。中国2001年，钢产量达到1.3亿吨，在这个1.3亿吨生产出来的钢材中，据初步统计，四千万吨需要焊接，因此焊接已经成为一门独立的学科，一项高科技，同时又是一个非常重要的产业。激光焊是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，它是用激光来加热，所以它可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其他焊接方法难以做到的，这种方法也被利用到医学里边，比方视网膜脱落，视网膜是在眼球的后面，视网膜脱落以后眼睛就会失明，现在就用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来，这个已经是很成功的手术了。第二个它的优点是不需要真空保护，因此，现在得到了非常广泛的应用。

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3、激光焊接技术概述激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。激光焊接的应用始于1964年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接。70年代以来，随着千瓦级大功率CO2激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工l部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.9％。

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⑤激光焊接可在大气中进行，无环境污染。2）激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：①激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金屑材料进行焊接(对钨丝进行有效焊接)。②聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。③脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。④激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，而且激光可通过玻璃在真空中焊接。1）激光焊接基本模式：热导焊和深熔焊。热导焊：激光功率密度较低（105～106W／cm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。深熔焊：激光功率密度高（106～107W／cm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

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4、脉冲激光焊接（热传导焊接）1）常用脉冲激光器：Nd：YAG激光器调QYAG激光器脉冲CO2激光器2）焊接接头形式：对接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊3）影响焊接质量的工艺参数：功率密度、脉冲宽度、脉冲波型和离焦量

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一、激光功率密度对焊接质量影响激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。两种功率密度下金属表层及底层的温度与时间的关系。

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材料达到熔化所需的激光功率密度：材料达到沸点所需的激光功率密度：临界激光功率密度：当材料表面出现强烈气化时，材料加热过程中将出现两种波向材料内部传播，即热波和气化波。当激光功率密度较低时，热波的速度高于气化速度，当达到某—临界功率密度时，这两种波的速度相等，可得气化时的临界激光功率密度：对多数材料：

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金属热导率K热扩散率kTmTv脉宽tp

W/cm2·℃cm2/s℃℃sCu3.891.121083230010-3钢0.510.151535270010-3Ni0.670.241453273010-3Ti0.150.061800320010-3W1.690.653380590010-3Mo1.410.552600480010-3Cr0.700.221830220010-3Al2.090.87660206210-3金属热学参量

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说明：激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。在薄板(板厚为0.01-0.10mm)焊接中，激光功率密度范围为Fm＜F＜Fc在厚板(板厚大于〉0.50mm)焊接中，激光功率密度范围为Fm＜F＜Fv金属热扩散率脉宽临界功率密度

（J/cm3）(cm2/s)（ms）(W/cm2)Cu42.88×1031.1210-31.4×106钢54.76×1030.1510-36.2×106Ni55.3×1030.2410-37.5×106Ti44.27×1030.0610-33.4×106W95.43×1030.6510-32.4×106Mo69.05×1030.5510-31.6×106Cr54.17×1030.2210-38.4×106Al28.09×1030.8710-38.6×106

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二、脉冲波形对焊接质量影响分析：激光脉冲开始作用时反射率高；当材料表面温度升至熔点时，反射率迅速下降；表面处于熔化状态时，反射率稳定于某一值；当表面温度继续上升到沸点时，反射率又一次下降。曲线1为铜的反射率变化曲线2为钢的反射率变化激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度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掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

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利用带有前置尖峰的激光波形，在开始出现的尖峰，迅速改变金属表面状况，使其温度上升至熔点，从而在脉冲时刻到来时，表面反射率较低，使光脉冲的能量利用率大大提高。解决方法：适用范围：大多数金属的脉冲焊接注意：这种脉冲波型在高重复率缝焊时不宜采用。因为重复率很高时，重叠区可能仍处于熔融状态。若使用这种波形，初期尖峰可使表面出现高速气化，伴随着剧烈的体积膨胀，金属蒸气以超声速向外扩张，给工件很大的反冲力，使金屑产生飞溅，在熔斑中形成不规则的孔洞。这在气密性要求高的缝焊中尤其要避免，故缝焊中宜采用矩形波或缓衰减波形。

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三、脉冲宽度对焊接质量影响激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它是决定材料是否熔化的重要参数。为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化，一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点。1）最大熔深与脉宽关系设脉冲终止时材料表面温度达到沸点，即脉冲宽度tp等于气化时间。此时的激光功率密度：最大熔深：由气化时间

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最大熔深：对于铝材料：熔点660℃，沸点2450℃，k=1.03cm2/s。采用脉宽tp=1ms的激光，熔深不到0.1mm。结论：①最大的熔深正比于脉宽的平方根，脉宽越长，熔深越深。②熔点、沸点相差较大的金属，如钼、铂、钨等，则熔深较深。③热扩散率越大的金属，如金、铜、银等，熔深越深。

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四、离焦量对焊接质量影响激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。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，当正负离焦量相等时，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。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现汽化，形成蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

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深熔焊：激光功率密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。5.激光深熔焊接1）激光深熔焊接介绍

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1)熔深大、速度高，单位时间熔合面积大，是高效焊接方法。2)热影响区小，焊件变形小，适合精密、热敏感部件的焊接。3)一般不填充金属，专用气体保护，补焊部位不会氧化发蓝。4)易于实现自动化。激光深熔焊接不足：1）焊件要求有高的装配精度（因为光斑小、焊缝窄）。2）焊接系统的成本高，一次投资大。2）激光深熔焊接优点：

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激光深熔焊接本质特征为存在小孔效应的焊接。在激光功率密度足够高时，材料蒸发产生小孔充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射的激光能量，孔腔里的温度较高（25000℃）热量从孔壁传出去，使孔周围的金属熔化。3）激光深熔焊接原理深熔焊形成的小孔

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小孔内激光的吸收过程由上述机理可知，激光深熔焊接(小孔效应)与热传导焊接相比有本质区别，前者激光功率密度大于106W/cm2，可以在材料中产生小孔效应。在小孔内激光束可以直接通过小孔壁进入孔底(见图)，得到很大的激光焊接深度，目前最大焊接深度已超过5lmm。

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等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅助侧吹气驱除或削弱等离子体。4）等离子体的影响不同辅助气体抑制等离子体的效果与气体的电离势、导热性和离解能等有关。当辅助气体流量低于临界流量时，气体电离势起主导作用。在上述四种气体中He的电离势最高，相应顺序为He(24.5eV)、Ar(15.68eV〕、N2(14.6eV)和CO2(13.8eV)，故认为He抑制等离子体效果最好。但随着辅助吹气流量的进一步增加，由于气体的流动使热辐射对流作用增加，相对电离势而言．气体的导热性和离解能起主要作用。从导热性方面看，四种气体排列顺序为：Ar＜N2＜CO2＜He，即Ar具有最低导热率，其等离子体维持阈值低，故容易被加热而屏蔽；而He的热导率最大，其等离子体维持阈值最高，故容易扩散。综上分析，He是抑制等离子体较理想的气体。用作辅助气体的有Ar、He、N2和CO2等

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保护气体激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，对大多数场合则常采用氦、氩、氮等气体作保护。使工件在焊接过程巾免受氧化。氦气不易电离(电高温度较高)，可让激光束顺利通过，光束能量不受阻地直达工件表面，是激光焊接时使用最有效的保护气体。氩气较便宜，出于其密度较大，所以保护较好；但易受高温金属离子体电离。屏蔽了部分光束，减少了焊接时的有效功率，也损害焊接速度和熔深。使用氩保护时表面光滑。

氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用。

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激光焊接机由激光开关电源、数控系统、光学传统系统(含摄像系统及气体保护系统）、闭合循环水冷系统、工作台、计算机及操作系统组成。5）激光焊接机的系统组成激光器：

用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在15～6kW范围。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO2。激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化。可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为

CO2激光焊接强有力的竞争对手。导光和聚焦系统

导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短）；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。

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6）影响激光焊接质量的因素

1焊接设备

对激光器的质量要求最主要的是光束模式和输出功率及其稳定性。光束模式是光束质量的主要指标，光束模式阶数越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊缝深宽越大。但从国外情况来看，激光器的光束质量和输出功率稳定性已相当高，不会成为激光焊接的问题。

光学系统中影响焊接质量最大的因素是聚焦镜，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之间，焦距小对减小聚焦光束腰斑直径有好处，但过小容易在焊接过程中受污染和飞溅损伤。2.工件状况

激光焊接要求对工件的边缘进行加工，装配有很高的精度，光斑与焊缝严格对中，而且工件原始装配精度和光斑对中情况在焊接过程中不能因焊接热变形而变化。这是因为激光光斑小，焊缝窄，一般不加填充金属，如装配不严间隙过大，光束能穿过间隙不能熔化母材，或者引起明显的咬边、凹陷，如光斑对缝的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材对接装配间隙和光斑对缝偏差均不应大于0.1mm，错边不应大于0.2mm。当焊缝较长时，焊前的准备难度很大，普通剪床F料一般不能满足要求．必须经过机械加工或用高精度剪床剪切，还必须根据具体工件情况设计合适的精密胎夹具。实际生产中，有时因不能满足这些要求，而无法采用激光焊接技术。

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3.焊接参数

（1）激光功率密度：对激光焊接模式和焊缝成形稳定件的影响焊接参数中最主要的是激光光斑的功率密度，它对焊接模式和焊缝成形稳定性影响如下：随激光光斑功率密度由小变大依次为稳定热导焊、模式不稳定焊和稳定深熔焊。（2）光束焦点位置：是焊接参数中对焊接质量影响极大而又最难监测和控制的一个因素。目前在生产中需靠人工调节和反复工艺试验的方法确定合适的焦点位置，以获得理想的熔深。但在焊接过程中由于工件变形，热透镜效应或者空间曲线的多维焊接，焦点位置会发生变化而可能超出允许的范围。

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型号W-50W-100W-200W-400激光类型灯泵浦脉冲Nd:YAG激光焊接机

激光波长1064nm激光功率50W100W200W400W激光光束直径5mm6mm7mm8mm最大激光能量25J50J100J180J脉冲宽度0.1-10ms（可根据用户要求选定其它脉宽）

脉冲重复率1-200Hz（可根据用户要求选定其它脉冲重复率）

激光头尺寸900×180×180mm

1200×180×180mm

供电要求380VAC，5KVA

380VAC，6KVA

380VAC，8KVA

380VAC，15KVA

冷却方式闭环水冷焊接头光学传输聚焦,还焦距75mm

聚焦光斑直径<0.2mm标准工作台电控XY移动台，行程150x150mm

控制器电脑编程可选附件激光制冷机，CCD监视系统

7）几种激光焊接机的技术参数

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6、激光焊接的应用在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的多块小坯料拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由40％～60％提高到70％～80％，而且减轻了重量，提高了综合性能。在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整，无翘曲和变形，确保冲压后的质量。世界著名的汽车公司都采用了这种方法。我国激光焊接技术经过十余年的研究，已开始应用，包括电机中的定子转子、金刚石锯片、多联齿轮、热轧硅钢片、显像管阴极、食品罐头盒罐身等。例如用激光焊接技术焊接了装核燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5mm×166.5mm×2384mm，采用2mm厚高活性锆合金板焊接而成，最后在锆盒全长范围内，各面及相互间的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均达到在0.2～0.3mm范围内，正反面焊缝表面不平度小于0.15mm。充分体现了激光焊接的先进性。

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1985年德国大众激光拼焊用于Audi车型底盘的焊接1986年日本丰田添丝激光焊用于车身侧面框架的焊接1993年北美应用激光拼焊技术日本汽车的竞争力目前为止采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件包括车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。世界上几乎所有的著名汽车制造商采用激光焊接技术。中国的奇瑞汽车目前

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汽车车身的激光焊接

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1、激光切割有哪些加工方式？各自特点是什么？2、喷嘴设计遵循的普遍原则是什么？3、激光对眼睛和皮肤有哪些伤害？对眼睛角膜有损害的是哪些波长的光？4、激光焊接有哪些优缺点？5、影响焊接质量的因素有哪些？如何改善？

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小小的刹车片何以撬开一等奖的大门2005年3月28日，庄严的人民大会堂，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛亲自授予黄伯云教授国家技术发明奖一等奖，结束了该奖项连续6年空缺的历史。我国每年需进口数亿元炭／炭刹车副。使用强度提高30％，耐磨性提高20％，寿命提高9％，价格降低21％，生产效率提高100％，高能制动性能超过25％。

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3.3激光表面改性技术激光表面改性技术是材料表面工程技术最新发展的领域之一。这项技术主要包括激光表面相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光冲击硬化、激光非晶化及微精化等多种工艺。其中，激光相变硬化和激光熔覆是目前国内外研究和应用最多的两种工艺。

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1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。

一、激光淬火技术（激光相变硬化）说明：1、升温速度可达103--106℃/s，降温速度可达106℃/s。

2、淬火温度在相变温度以上，材料熔点以下；在相变点处以高于临界冷却速度冷却。2.如图为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火

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3.激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。钢表面激光淬火区横截面金相组织图

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4.淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线（HV维氏硬度<1300）5.影响淬硬性能的主要因素：1)材料成分：一般说来，随着钢中含碳量的增加，淬火后马氏体的含量也增加，激光淬硬层的显微硬度也就越高。基材含碳量与激光淬火层显微硬度的关系1：20钢2：45钢3：T8钢4：T10钢5：T12钢说明：45钢表示平均含碳量0.45%的优质碳素结构钢

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2)激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬层深度由激光功率、光斑直径和扫描速度共同决定；描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104W／cm2，一般为1000-6000W／cm2。淬硬层深度：

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3)表面预处理（黑化处理）：磷化法：20世纪80年代最常用的方法之一。通过磷化处理在工件表面形成一层磷化膜（磷酸锰居多），使材料表面吸收率达到80%以上。但磷化处理也常使材料表面出现裂纹。黑漆法：黑漆主要成分为石墨粉和碳酸钠Sio2型涂料法：涂料主要成份为200-300目精制石英粉。表面层打磨1μm喷砂50μm氧化石墨高温油漆