特种焊接技术激光焊

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二单元 激光焊,（,L,aser,w,elding,）,主 要 内 容,原理、分类及特点,激光焊设备,激光焊工艺,1960,年美国科学家研制成功世界上第一台红宝石激光器。,1964,相继发明,CO,2,激光器和,YAG,激光器，激光焊是二十世纪,70,年代发展起来的焊接技术,经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于,0.01 mm,、,功率密度高达,10,6,l0,l2,W/cm,2,的能束，可用作,焊接、切割及材料表面处理的热源。,激光的特点,1,亮度高,激光是世界上最亮的光,CO,2,激光的亮度比太阳亮,8,个数量级，而高功率钕玻璃激光则比太阳亮,l6,个数量级。,2,方向性好,激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小，接近于理想的平行光。,3,单色性好,激光为单色光,能力知识点,1,原理、分类及特点,综合知识模块一 激光焊概述,激光焊（,Laser Beam Welding,，,LBW,）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。,反射,激光,激光器,材料表面,吸收,电子动能,热 能,10,9,s,（,，,P,d,，,T,，,材料,性质、表面状况）,激光是指激光活性物质或称工作物质受到激励，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。,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，主要与激光波长、金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。,金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻率的增加而增大。,金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂处理；或应用机械或化学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。,激光焊,分类,发生器工作性质,作用方式和能量,功率密度（,P,d,）,固体：,YAG,，,1.06,脉冲,气体：,CO,2,，,10.6,连续,液体和半导体,脉冲：圆形焊点，微型、精密电子元件,连续：连续焊缝，厚板对接和搭接,传热焊：,P,d, 10,6,W/cm,2,，,熔点与沸点之间，适于薄小工件 （,t10,6,W/cm,2,沸点，厚大工件,由于工作物质是固体，因此输出功率低，且光束质量差,传热焊,由于激光光斑的功率密度小于,10,6,W/cm,2,，焊接时，焊件表面将所吸收的激光能转变为热能后，其表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区迅速扩大，随后冷却凝固形成焊点或焊缝，其熔池形状近似为半球形。这种焊接机理称为传热焊，焊接过程类似于钨极氩弧焊。,特点：,激光光斑的功率密度小，很大一部分激光被金属表面所反射，激光的吸收率较低，熔深浅、焊点小，主要用于厚度小于,lmm,的薄板、小零件的精密焊接加工。,深熔焊,激光光斑的功率密度大于,10,6,W/cm,2,，金属表面在激光束的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内（,10,-6,10,-8,s,）升高到沸点，使金属熔化和汽化。形成一个深度稳定的孔而实现焊接，因此称之为激光深熔焊。,产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池表面，从而对熔池的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑，当激光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深；,另一方面，向坑外逸出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。随着加热过程的连续进行，激光可直接射入坑底，在液态金属中形成一个细长的小孔。,当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深。,传热焊 深熔焊,1-,等离子云,2-,熔化材料,3-,小孔,4-,熔深,激光焊不同功率密度时的加热状态,a,）传热熔化焊,b,）深熔焊,c,）穿透焊,光斑功率密度很大时，所产生的小孔将贯穿整个板厚,二、激光焊的特点,优点：,1,聚焦后的激光束功率密度可达,10,5,10,7,W,cm,2,，甚至更高，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型。,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。,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，特别适合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，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，不存在,X,射线防护问题，也不需要真空保护。,缺点：,1,激光焊难以焊接反射率较高的金属；,2,对焊件加工、组装、定位要求相对较高；,3,设备一次性投资大。,综合知识模块二 激光焊设备与焊接工艺,能力知识点,1,激光焊设备,组 成 （,激光器、光束传输和聚焦系统、光束检测器、电源、气源、工作台、控制装置等,）,进行光束的传输和聚焦,检测激光器的输出功率或输出能量并进行控制,进行光路的调整和工件的对中,检测加工区域的温度、工件表面的状态，通过控制系统进行必要的调整,一、激光器,激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激光焊接设备的核心部分。,根据激光器中工作物质的形态分有固体、液体和气体激光器。,焊接与切割用的激光器主要是固体激光器和,CO,2,气体激光器。,1,固体激光器,固体激光器主要由激光工作物质（红宝石、,YAG,或钕玻璃棒）、聚光器、谐振腔（全反镜和输出窗口）、泵灯、电源及控制装置组成。,激光焊用,YAG,固体激光器，其工作物质为掺钕的钇铝石榴石晶体,激励源（泵浦源）、谐振腔、电源、控制和冷却系统、聚光器,YAG,激光器结构图,2,气体激光器,焊接和切割所用气体激光器大多是,CO,2,激光器，其工作气体主要成分是,CO,2,、,N,2,和,He,气体。,（,1,）,CO,2,激光器的特点,1,）输出功率范围大。,2,）能量转换功率高于固体激光器。,3,）,CO,2,激光波长为,10.6um,，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。,（,2,）,CO,2,激光器的分类,根据结构形式可将热加工应用的,CO,2,激光器分为四种：密闭式、横流式、轴流式和板条式。,密闭式,CO,2,激光器结构示意图,1-,平面反射镜,2-,阴极,3-,冷却管,4-,贮气管,5-,回气管,6-,阴极,7-,凹面反射镜,8-,进水口,9-,出水口,10-,激励电源,全反射,输出镜,横流式,CO,2,激光器示意图,1-,平板式阳极,2-,折叠镜,3-,后腔镜,4-,阴极,5-,放电区,6-,密封壳体,7-,输出反射镜,8-,高速风机,9-,气流方向,10-,热交换器,轴流式激光器（输出功率大）,二、光束传输及聚焦系统,光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光束传输并聚焦到工件上。,三、光束检测器,主要用于检测激光器的输出功率或输出能量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。,四、气源和电源,五、工作台和控制系统,设备的选用,微型、精密件,小功率,中厚件焊接,大功率,点焊、打孔,脉冲,连续焊缝,连续或高频脉冲,能力知识点,2,激光焊工艺,一、激光焊的能源特性,1,功率密度,调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。,调整功率密度的主要方法有：,调节输入激光器的能量；,调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；,改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；,改变脉冲宽度及前沿的梯度等。,2,吸收率,光亮的金属表面对激光有很强的反射作用,温度提高时，反射率降低。,在熔点以上，金属气化，形成小孔以后，对光束的吸收率将急剧增加。,使用活性气体也能增加材料对激光的吸收率。在保护气体氦中添加,10%,的氧，可使熔深增加一倍。,厚度较大的工件采用适当的负离焦量，可获得较大的熔深,3,离焦量,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。,二、脉冲激光焊工艺,脉冲激光焊时，每个激光脉冲在焊件上形成一个焊点。焊件是由点焊或由点焊搭接成的缝焊方式实现连接的。由于其加热斑点很小，主要用于微型、精密元件和一些微电子元件的焊接。,1,接头形式,2,脉冲激光焊工艺参数,（,1,）脉冲能量和脉冲宽度,脉冲激光焊时，脉冲能量主要影响金属的熔化量，脉冲宽度则影响熔深。脉冲能量一定时，脉冲加宽，熔深逐渐增加，当脉冲宽度超过某一临界值时，熔深反而下降，不同材料各有一个最佳脉冲宽度使焊接时熔深最大。,1.,脉冲能量（,E,）,和脉冲宽度（,）,热物理性能 最佳值,金属熔化量 熔深及,HAZ,加热温度,加热时间,（热导率和熔点） （钢,5,8ms,）,P= E/,激光的平均功率,（,2,）,功率密度（,P,d,）,传热焊 深熔焊,（,3,）离焦量,(F),：,焊件表面离聚焦光束最小斑点的距离,F0,：,薄板,三、连续,CO,2,激光焊工艺,1.,接头形式及装配要求（表,2-7,）,CO,2,激光焊最常用的接头形式是对接和搭接。,对接时，对于铁基合金和镍基合金材料，其装配间隙应小于被焊件厚度的,15%,，零件的错边和不平度不得大于被焊件厚度的,25%,；对于导热性好的材料，如铜合金、铝合金等，还应将误差控制在更小的范围内。,搭接是薄板连接时常用的接头形式。焊接时装配间隙应小于板材厚度的,25%,。,2,连续激光焊的工艺参数,（,1,） 激光功率（,P,）：,激光器的输出功率,与熔深成正比例关系,（,2,） 焊接速度（,v,）：,影响热输入和熔深,（,3,）光斑直径,在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。,（,4,）离焦量（,F,）,F0,传热焊，薄件,F0,深熔焊，厚件,（,5,）保护气体 （,He,、,He,Ar,、,Ar,），,影响熔深,防止氧化,抑制等离子云的形成,激光安全与防护,激光的危害,激光的安全防护,激光的危害,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对象是眼睛和皮肤。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、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,在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，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的结果。因此在激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。,二、对皮肤的伤害,皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大，会造成严重烧伤。长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。,三、其他方面,激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光焊时，材料受激烈加热而蒸发、汽化，产生各种有毒的金属烟尘。高功率激光加热时形成的等离子云会产生臭氧，对人体也有一定损害。长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。同时激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。,一、一般防护,1,在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等。设备应有各种安全保护装置。,2,激光光路系统应尽可能全封闭。例如让激光在金属管中传递，以防直接照射的发生。激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼，头等重要器官。激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。,3,激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙，屏风等，防止无关人员误入危险区。,二、人身防护,1,激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响；,2,只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。,3,焊接区应配备有效的通风或排风装置。,