第二章激光焊

第二章激光焊第1页，课件共33页，创作于2023年2月§2-1激光焊概述§2-2激光焊设备与工艺§2-3典型材料的激光焊§2-4激光安全与防护

本章目录第2页，课件共33页，创作于2023年2月2-1激光焊概述

激光焊（LaserBeam

Welding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为焊接热源的一种高效精密焊接方法。与传统的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、适应性强等优点。世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生，因受限于晶体的热容量，只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽瞬间脉冲峰值能量可高达106瓦，但仍属于低能量输出。目前使用钕为激发元素的钇铝石榴石晶棒和使用CO2为激发物的CO2激光已广泛用于金属的加工。第3页，课件共33页，创作于2023年2月一、激光束的基本特性单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性单色性最好的是气体激光器产生的激光。

He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯（Kr86），其谱线宽度为4.7×10-3nm。

激光自然光波长能量激光的单色性比一般光高出106～107倍以上。自然光由波长范围较宽的光构成，而激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。第4页，课件共33页，创作于2023年2月2、方向性好、亮度高光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于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。

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。第5页，课件共33页，创作于2023年2月3、相干性好

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。正是由于激光的上述特点，人们将激光应用于焊接领域。激光聚焦后在焦点上的功率密度可高达106~109W/cm2，比通常的焊接热源高几个数量级，成为一种理想的焊接热源。第6页，课件共33页，创作于2023年2月二、激光焊原理及特点激光是激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度最高达1012W/cm2的能束，可用作焊接、切割及表面处理的热源。一张纸在激光打印机中的历程激光焊接的锯片第7页，课件共33页，创作于2023年2月激光焊是以聚焦的激光束作为能源照射到焊件接缝处所产生的热量进行焊接的方法。其实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象。

1、材料对激光的吸收激光焊时，激光照射到被焊接件的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入焊件内部。激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。金属对激光的吸收率与激光波长、金属性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。（一）激光焊的基本原理第8页，课件共33页，创作于2023年2月

2、材料的加热、熔化和气化激光光子入射到金属晶体上，光子即与电子发生非弹性碰撞，将能量传递给电子，使电子由原来的低能级跃迁到高能级，而处于高能级的电子将在与其它电子的碰撞以及与晶格的互相作用中进行能量的传递，最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改变表面及内部温度。光能向热能的转换是在极短时间（约为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅局限于材料的激光辐射区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。激光焊时，材料达到熔点所需时间为微秒级。脉冲焊时，功率密度达到105W/cm2时，达到沸点只需几微秒；功率大于106W/cm2时，材料急剧蒸发。第9页，课件共33页，创作于2023年2月在连续激光深熔焊接时，由于蒸发，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成“小孔”。而“小孔”类似于“黑洞”，有助于对光束能量的吸收。

壁聚焦效应:激光束射入小孔中时，由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。第10页，课件共33页，创作于2023年2月

3、焊缝的形成随着工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的表面张力使“小孔”前沿的熔化金属沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面处形成如图所示的熔流。“小孔”后方液态金属由于散热的结果，温度迅速降低、凝固，形成连续的焊缝。小孔和熔融金属流动的示意图

第11页，课件共33页，创作于2023年2月（二）激光焊的特点

1、激光焊的优点

①聚焦后功率密度可达105~107W／cm2，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适合于精密焊接和微细焊接。

②可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成形。

③适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。第12页，课件共33页，创作于2023年2月

④可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；YAG激光和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好，适用于微型零件和远距离的焊接。

⑤可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，例如可焊接置于玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料。

⑥激光束不受电磁干扰（电弧焊接及电子束焊接则受干扰），能精确的对准焊件。

⑦不存在

X

射线的防护问题，也不需要真空保护。第13页，课件共33页，创作于2023年2月

2、激光焊的缺点

①难以焊接反射率较高的金属；高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

②对焊件加工、组装、定位要求准确；

③最大可焊厚度受到限制，厚度超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接；

④能量转换效率太低，通常低于10%；

⑤当进行中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；

⑥焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑；

⑦设备一次性投资大。第14页，课件共33页，创作于2023年2月三、激光焊的应用

1、制造业应用

激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用。据统计，2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条，年产轿车构件拼焊坯板7000万件，并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型Passat、Buick、Audi

等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以

CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接；板厚100微米以下的箔片，无法熔焊，但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功，显示了激光焊的广阔前途。日本还成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等；国内苏宝蓉等进行了齿轮激光焊技术。第15页，课件共33页，创作于2023年2月

2、粉末冶金领域随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，与其它零件的连接问题显得日益突出，使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料的加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，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。第16页，课件共33页，创作于2023年2月

3、汽车工业

20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接；90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t，比1998年增加3倍。第17页，课件共33页，创作于2023年2月

4、电子工业激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性。在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等；传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05~0.1mm，采用传统焊接方法难以解决，TIG焊容易焊穿，等离子弧焊稳定性差，影响因素多而采用激光焊效果很好，因此得到广泛的应用。第18页，课件共33页，创作于2023年2月

5、生物医学

生物组织激光焊接始于20世纪70年代，Klink等及jain

用激光焊接输卵管和血管的成功显示出激光焊独特的优越性，使更多的研究者尝试焊接各种生物组织，并推广到其它组织的焊接。有关激光焊接神经方面，目前国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究，刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较，激光焊接具有吻合速度快，愈合过程中没有异物反应，保持焊接部位的机械性质，被修复组织按其原生物力学性状生长等优点，必将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。第19页，课件共33页，创作于2023年2月

6、其它领域

在其它行业中，激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究，如对BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接，德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。首饰激光焊第20页，课件共33页，创作于2023年2月2-2激光焊设备与焊接工艺一、激光焊设备主要由激光器、光学系统、光速检测器、工作台、焊枪、电源及控制系统、气源、水源、操作盘、数控装置等部分组成。激光气辅助气操作盘N/C装置工作台焊枪电源控制装置冷却器空压机空气水激光器第21页，课件共33页，创作于2023年2月1、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。从这两方面考虑，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1.5～6kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。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，并已投入市场。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。第22页，课件共33页，创作于2023年2月2、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和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。第23页，课件共33页，创作于2023年2月3、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。第24页，课件共33页，创作于2023年2月四、激光焊工艺1、功率密度激光能作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生三种不同加热状态。①功率密度较低时，仅对表面产生无熔化的加热，这种状态用于表面热处理或钎焊；②功率密度提高时，可产生热传导型的熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；③功率密度进一步提高时，则会产生熔孔型熔化，用于深熔焊。

因此，只须调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。第25页，课件共33页，创作于2023年2月2、调整功率密度的主要方法①调节输入激光器的能量；②调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；③改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；④改变脉冲宽度及前沿的梯度等。3、吸收率激光焊接的热效应取决于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。金属的吸收率又与温度密切相关。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用，吸收率降低。第26页，课件共33页，创作于2023年2月4、离焦量是工件表面离激光焦点的距离。工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量，反之为正离焦，用△F表示。离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。304不锈钢，0.8mm搭接，CO2激光，时间t=0.3s，离焦量ΔF=0.8mm

激光点焊的焊点形貌第27页，课件共33页，创作于2023年2月2-4激光的安全防护焊接和切割中所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中又有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。激光安全防护的重点是眼睛和皮肤。此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他一些危害极大的事故。一、激光的危害

激光打印机的危害

与吸烟旗鼓相当，严重可致癌。据国外媒体报道，国际空气质量与健康实验室（ILAQH）科学家们测试结果显示，部分激光打印机所释放出的有害微粒与吸烟释放出的有害微粒旗鼓相当，吸入后严重情况下可以致癌。

第28页，课件共33页，创作于2023年2月（一）对眼睛的伤害1、受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果最严重。即使是数毫瓦的He-Ne激光，虽然功率小，但由于人眼的光学聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。2、激光加工时由于工件表面对激光的反射，也会造成伤害。强反射的危险程度与直接照射相差无几