先进激光加工技术(上)

一、引言1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器和光纤激光器等。激光器应用领域

工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速原型制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。

农业：育种等。

医学：激光眼科、微外科手术、激光美容、口腔。

军事：激光测距、激光制导、激光通信、强激光武器（人眼致盲、光电探测器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。

科学研究等许多方面。《光机电月刊》，《工业激光解决方案》第一页，共49页。德国、美国、日本、英国等国家激光产业的发展代表了世界激光产业最高发展水平。激光产业发展计划美国：激光核聚变计划；德国：光学促进计划；国家级激光中心9个英国：阿维尔计划；日本：激光研究5年计划。中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学第二页，共49页。二、工业用激光器固体激光器（Nd:YAG激光器）气体激光器（CO2激光器）液体激光器化学激光器准分子激光器（KrF激光器）半导体激光器光纤激光器超快激光器（皮秒、飞秒、阿秒激光）第三页，共49页。功率密度对靶材的影响：103～104W/cm2，加热104～106W/cm2，熔融106～108W/cm2，气化108～1010W/cm2，等离子体靶激光束烧蚀蒸汽三、激光与材料相互作用过程激光加工：热加工，冷加工第四页，共49页。激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样化。高功率激光与材料相互作用问题远没有解决，原因是：一是研究对象本身的复杂性和多样性二是激光器本身的快速发展带来的新的问题三是一些基本问题的观点、模型以及适应范围等仍没有得到清楚地解释和验证。相互作用机理研究尚待深入第五页，共49页。激光的吸收激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收

E0=E反射＋E吸收＋E透射

1=E反射/E0＋E吸收/E0＋E透射/E0

1=ρR+αA+τT（反射比，吸收比，透射比）对于不透明材料：1=ρR+αA光强传播：I=I0e-Ax，（A为材料的吸收系数）穿透深度：DT=1/A，（光强降至I0/e时）第六页，共49页。吸收系数：与材料和激光波长有关材料的复数折射率：n=n1+in2激光垂直入射时吸收比：吸收系数：第七页，共49页。金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振特性有关。一般情况下吸收比随波长增加减小，随温度升高增大。非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。第八页，共49页。激光对材料的加热激光照射区域沿法线方向的温度剃度为：式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表面的激光功率密度；λt为材料热导率。具体计算分析时做如下简化假设：被加热的材料是均匀且各向同性的物质。材料的光学特性和热力学参数与温度无关。忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。第九页，共49页。求解方法求解激光加热问题的数值解最有效也是最重要的方法是：有限差分法。它能有效地处理各种复杂边界条件和非线性问题，能得到较准确地数值解。其实质是：将微分方程中未知函数的导数用温度场各个节点上的有限差分值的近似关系来代替，进而得到有限差分方程的解。这样就将有限差分方程的求解归结于简单的代数运算。第十页，共49页。激光熔融现象当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，前一章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。对半无限大物体，当表面温度达到熔点Tm时，等温面（熔化波前）T=Tm将以一定的速度向材料内部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距离称为最大熔化深度。第十一页，共49页。对于大多数金属，熔化波前的穿透深度可简单表示为：Pso为光斑中心的功率密度；Lt为材料的熔化潜热；tn激光照射表面至开始熔化时间；tb材料表面加热到Tb所需时间；αA为材料表面对激光的吸收比；Tn为熔化温度；λt为热导率；Tb近似为气化温度合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度第十二页，共49页。靶材的气化模型高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔化潜热和蒸发潜热；c(Tc-To)为温度从熔点升至沸点靶面吸收热量；Tc表示稳定表面温度；Ps＝αAPso；vm为质量变化率；p(Ts)为蒸气压力。第十三页，共49页。气化时间的估计假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需时间可由能量守恒定律推得的下式近似估算：激光功率密度越高，所需气化时间越短。气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是沸点比熔点高很多，且气化潜热比熔融潜热大一个数量级。第十四页，共49页。举例：铝材料在气压0.1MPa时，Tv=2767K,Lv=10770J/g,d0=5mm,ρR=0.8:当：Pso=104W/cm2,t=8s;Pso=105W/cm2,t=0.8s;Pso=107W/cm2,t=0.008s=8ms在激光加热直至气化过程中有两个非常重要的物理量：一是激光与靶材的热耦合系数：表示激光能量中被转化为靶的热能的部分。对于不透明材料，忽略靶蒸气动能，近似为（1－ρR）。发射比ρR与靶面状况（温度、相态等）有关。另一个重要的物理量是质量迁移率Δm/E：表示在能量为E的激光作用下靶材因气化而损失的质量Δm。与激光功率密度分布、脉冲结构、光斑大小及靶材本身的特性有关。第十五页，共49页。激光等离子体屏蔽现象激光作用于靶表面，引起蒸发，蒸气继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面上产生高温高密度的等离子体。等离子体向外迅速膨胀，在膨胀过程中等离子体继续吸收入射激光。等离子体阻止了激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。这种效应叫做等离子体屏蔽效应。相互作用的物质分为三部分：靶，激光，等离子体。描述等离子体屏蔽程度用等离子体屏蔽系数：定义为等离子体吸收的能量与入射激光能量之比。靶激光束等离子体第十六页，共49页。等离子体屏蔽机制蒸气等离子体吸收入射激光能量的机制是逆韧致辐射吸收。对于铝靶，其逆韧致辐射吸收系数为Ks，入射激光通过蒸气的透射比为ρT，等离子体屏蔽系数为Ks为吸收系数，与波长的平方成正比，说明长波长激光的等离子体屏蔽效应比短波长激光要强烈一些，出现时间更早。第十七页，共49页。对于功率密度为Pso的入射激光，穿透长度为l的蒸气等离子体区域，透射激光功率密度为P，则有dθ为光学厚度，表征激光穿过蒸气等离子体被吸收的情况。把蒸气等离子体看做均匀时只要测出Pso、Ps和等离子体线度l，就可以得到光学厚度dθ，吸收系数Ks和等离子体屏蔽系数。第十八页，共49页。四、激光加工典型应用

激光宏观制造激光微细加工激光增材制造技术（3D打印技术）第十九页，共49页。交通领域中的应用第二十页，共49页。（汽车制造）第二十一页，共49页。AudiA2焊接Laser

welds第二十二页，共49页。汽车焊接件第二十三页，共49页。（航空领域）1.激光焊接

高强铝合金激光焊接已应用于空客A380，机身减重18%，成本下降21.4%-24.3%2.激光分离

航空发动机打孔及激光切割，涡轮叶片的激光打孔3.激光成形（直接熔覆制造及修复）

美国已应用于：歼击机F/A-18E/F，F-22,JSF,无人战斗机X-45A，黑鹰直升机T700（修复费用500美元，传统11万美元）4.激光表面处理

表面强化处理第二十四页，共49页。机身面板A318—A380第二十五页，共49页。焊接设备第二十六页，共49页。表层支撑架链接技术第二十七页，共49页。复合焊接Nd:YAG-MIGWeldingheadHybridweldseam第二十八页，共49页。铝合复合焊接：金高速、低变形第二十九页，共49页。激光焊接技术薄板热传导焊接技术厚板深熔焊接焊接技术第三十页，共49页。超薄HastelloyC-276脉冲激光焊接实验超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲实验设备、材料及方案制定NiCrMoFeWMnSiSPCCoVBal.16.015.75.63.30.50.030.000.010.0040.10.01HastelloyC-276化学成分(质量分数，%)研究单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、焊接速度等参数对焊缝成形的影响，分析焊缝成形机制以及焊接缺陷产生机制，提出基于焊缝形貌控制的精密焊接方法。第三十一页，共49页。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲激光焊接对焊缝形貌的影响WeldingVelocity（mm/min）WidthofTopSurface（mm）WidthofBottomSurface（mm）1000.70.61500.80.62000.60.5Repetition（Hz）WidthofTopSurface（mm）WidthofBottomSurface（mm）200.60.4300.70.6400.80.8单脉冲能量焊接速度频率脉冲宽度第三十二页，共49页。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲激光焊接对焊缝形貌的影响脉冲宽度对焊缝形貌的影响离焦量对焊缝形貌的影响+1mm离焦量第三十三页，共49页。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊缝形貌形成机制分析►

焊缝形貌特征分析波浪条纹熔化边界周期性半圆脉冲间断作用无波浪条纹无周期性厚度方向能量扩散以及激光束远离焊缝上表面焊缝下表面基材组织焊缝组织以等轴晶为主晶粒细化，无明显热影响区第三十四页，共49页。►平整焊缝成形机制分析激光焊接熔池流动驱动力1）浮力效应（BuoyancyForce）2）玛尔戈尼效应（MarangoniEffect）激光焊接过程温度分布规律1）极短的作用时间毫秒量级2）脉冲占空比合理的加热冷却循环瞬时线能量密度决定了焊接过程热输入量的大小脉冲激光加热冷却过程的交替，不仅保证了焊接过程的准稳态，也避免极高温度的出现。

焊接过程中浮力效应导致焊缝中心隆起，两侧略有下降；而玛尔戈尼效应导致焊缝中心处凹陷。在两种“矛盾”机制的相互作用下，形成了最终平整的焊缝表面。►

窄焊缝成形机制分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊缝形貌形成机制分析第三十五页，共49页。►

宏观焊缝缺陷分析X射线探伤结果（样品尺寸：50×80mm2，焊缝长度40mm）

探伤结果说明脉冲激光焊接技术可以应用于超薄HastelloyC-276屏蔽套的焊接成形加工，焊缝形貌平整，而且可以得到无宏观缺陷的焊缝。

目前针对焊缝的无损探伤方法主要包括射线探伤，超声探伤，涡流探伤，磁粉探伤以及渗透探伤。本检测采用X射线探伤方法。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊缝形貌形成机制分析►

微观焊缝缺陷分析

为确保准确衡量焊缝微观缺陷特征，采用逐层抛光法对X射线无损探伤的40mm焊缝开展微细缺陷检测，每层去除厚度10μm

在逐层抛光检测中并未发现明显的微孔特征，因此说明该焊缝不存在大于10μm尺度的微观缺陷。同时，也从侧面说明X射线探伤结果的可靠性。第三十六页，共49页。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究焊缝组织微观结构分析▲焊缝微观组织特征▲焊缝组织元素分布特征▲焊缝相结构特征▲焊缝显微硬度分析第三十七页，共49页。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊缝微观组织特征焊缝区域分为三个部分：中心熔化区（CFZ）、过渡熔化区（TFZ）和边缘熔化区（EFZ）CFZ和TFZ区CFZ区域放大

EFZ区域穿线生长特征细小等轴晶为主细小等轴晶和部分柱状枝晶以平面晶和胞状晶为主焊缝处晶粒形态与基材晶粒的差别，是否是元素偏析导致的结果？第三十八页，共49页。►

元素宏观分布特征▲焊缝组织元素分布特征超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究电子探针元素宏观分布特征结果：（a）扫描路径

；（b）Longitude方向Ni-Cr-Mo分布；（c）Longitude方向Fe-W分布；（d）Traverse方向Ni-Cr-Mo分布；（e）Traverse方向Fe-W分布焊缝处5大主要元素未出现宏观偏析现象（a）第三十九页，共49页。►

元素微观分布特征典型次晶界特征亚晶界（SolidificationSubgrainBoundary）

存在偏析现象Brody-FlemingsModel

▲焊缝组织元素分布特征超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究焊缝区域背散射照片Mo元素分布规律第四十页，共49页。►

元素微观分布特征-EDS能谱分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊缝组织元素分布特征第四十一页，共49页。▲焊缝显微硬度分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究焊接材料焊缝处微观硬度并未受到激光焊接过程的明显影响主要和焊缝处晶粒细化所引起的材料强化和脉冲激光焊接过程剧烈的冷却过程相当于材料经历淬火过程，两者的作用效果与基材所经历的固溶强化作用相似。第四十二页，共49页。焊接接头力学性能分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊接接头常温力学性能▲焊接接头高温力学性能第四十三页，共49页。►常温拉伸试验>焊接样品均在焊缝处断裂>焊接样品屈服极限未变，抗拉极限降为基材的88%力学性能屈服极限/Mpa（0.2%）抗拉强度/Mpa标称性能≥283≥690基材实际性能391857焊接样品393759▲焊接接头常温力学性能分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究第四十四页，共49页。拉伸样品：(a)200℃,(b)300℃and(c)400℃

♦断口位置随机分布于焊缝或基材处.

♦基材发生塑性失稳.♦焊缝断口处，断裂变形均匀.超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊接接头高温力学性能分析►

高温拉伸试验第四十五页，共49页。♦

在同一温度下，焊接接头和基材的屈服强度，抗拉强度和延展率无明显差别

♦

焊缝断口的屈服强度和抗拉强度相对于基材并未降低

♦

相对于200℃和300℃，

在400℃时,屈服强度和抗拉强度有所降低，

延展率有所升高。

焊接接头力学性能在核主泵温度条件下与基材一致超薄HastelloyC-276激光精密焊接技术研究▲焊接接头高温力学性能分析►

高温拉伸试验第四十六页，共49页。力学性能屈服极限/Mpa（0.2%）抗拉强度/Mpa延伸率/%母材（室温）≥283（391）≥690（857）≥45（58）母材（200℃）≥270≥690≥45母材（300℃）≥