激光原理與應用20160709

1、焊接論文題目激光原理及激光加工應用參考材料：激光加工技術，王家金，中國計量出版社激光原理與技術 施亞齊 華中科技大學出版社激光輻照效應，孫承偉，國防工業(yè)出版社課程主要內容引 言 激光的應用第一章 激光的基本物理特性第二章 激光產生的基本原理及激光器第三章 激光加工系統(tǒng)第四章 激光打標、激光切割第五章 激光焊接第六章 激光清洗激光加工技術應用概述一、激光加工方法激光切割激光焊接激光表面處理激光雕刻各種加工方法的適用范圍打標:激光器:激光功率:材料:方法:時間:優(yōu)點:商標、刻度以及刻度圖案的標記RSM 100Q100 W不銹鋼雕刻25秒高精度(150 mm以上的誤差 5 m )激光表面打標應用舉例

2、激光表面打標應用舉例打標:激光器:材料:方法:打標時間:優(yōu)點:文本、標志、數據代碼以及二維矩陣代碼的標記ROFIN IC 打標機塑料復合材料非常輕微的雕刻500字符秒(單加工頭）1000字符秒以上(雙加工頭)標刻深度小于25 m激光表面打標應用舉例激光器:激光功率:材料:時間:優(yōu)點:RSM 130D3W彩色塑料低于15秒永久性標識可從后部照明激光切割應用舉例2、激光切割激光切割應用舉例3、激光焊接熱導焊接、深熔焊接激光焊接應用舉例激光焊接應用舉例激光熱處理激光熱處理激光淬火激光淬火激光熔覆激光熔覆激光合金化激光合金化激光沖擊強化激光沖擊強化激光毛化激光毛化激光快速成型激光快速成型激光清洗激光清

3、洗激光非晶化激光非晶化4.激光熱處理種類激光熱處理種類世界激光加工技術的發(fā)展現狀工業(yè)激光器的市場分布激光器制造商：美國：PRCPRAMA德國：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英國：LUMONICS日本：川崎重工東芝切割24%焊接14%打標24%14%雕刻 3%12%微處理各種加工方法的應用比例打孔 其它9%激光加工技術在汽車中的應用第一章 激光及物理特性 激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。 激光的原理早在 1916 年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發(fā)現，

4、但直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業(yè)的出現。2022-3-14 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER 中文： 大陸地區(qū)：激光激光，港澳地區(qū)：激光激光、鐳射鐳射，臺灣地區(qū)：雷射雷射 | 英語： Laser2022-3-14能量激光束物理特性P波長激光自然光一、激光的特性：單色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、單色性 激光的單色性比一般光高出106107倍以上。自然光由波場范圍較寬的光構成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性

5、。單色性決定物質對激光能量的吸收和精細聚焦的可能性；CO2：10.6m CO： 5.4m YAG：1.06m 準分子：0.24m；激光束2、方向性好、亮度高 從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于10-310-5弧度。激光通過直徑為D的孔徑時，由于衍射會產生一定發(fā)散：(發(fā)散角)等相位面激光的方向性帶來兩個結果：光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產生比太陽高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成面積很小但照度很大的光斑。3、相干性好以適當方法將統(tǒng)一光源發(fā)出的光分成兩束，再使兩束光重 合便產生明暗相間的條紋，這就是

6、光的干涉。自然光由無數的原子與分子發(fā)射，產生波長各不相同的雜亂光，合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。激光的相位在時間上是保持不變的，合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。2022-3-142022-3-14三、高能激光束的獲取為了獲得滿足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：1、提高激光束的輸出功率（亮度特性）CO2激光：45kW，YAG激光-5kW，半導體激光-4kW；2、提高激光束的光束質量（發(fā)散角）3、采用適當的 聚焦方法（透鏡、反射鏡聚焦）光束參數積(光斑半徑乘以該方向上遠場發(fā)散角的乘積)與激光功率決定加工范圍4、橫模光腔的橫模代表了激光束光場的橫向分布規(guī)律，對激光加工影響

7、極大。光腔的縱模主要影響激光的頻率，與激光加工關系很小。通常用TEMmn表示不同橫模的光場分布：旋轉對稱橫模軸對稱橫模氣體激光器固體激光器第二章 激光產生的基本原理及激光器一、能級、躍遷、輻射1、能級：當原子或分子內部的電子與外界交換能量時，原子的內能也將發(fā)生變化，但內能的變化是不連續(xù)的，其內能的狀態(tài)成為能級。粒子（分子或原子）可以處于許多不同的能級，穩(wěn)態(tài)能級稱為基態(tài)。2、輻射躍遷：粒子從外界吸收能量時從低能級躍遷到高能級；從高能級躍遷到低能級時向外界釋放能量。如果吸收或釋放的能量是光能，則稱此躍遷為輻射躍遷。輻射光子的能量：公式中：h-譜朗克常數 -光波頻率3、激發(fā)：實現粒子從低能級向高能級

8、的躍遷過程成為激發(fā)，方式主要以：加熱激發(fā)、輻射激發(fā)、碰撞激發(fā)。E=E2 E1 =h激光的產生過程可歸納為：激光的產生過程可歸納為：激勵能源工作物質全反射鏡部分反射鏡激激光光產產生生工工作作物物質質光光子子放放大大及及振振蕩蕩其其它它粒粒子子的的受受激激輻輻射射偶偶然然的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射粒粒子子數數反反轉轉外界激勵光學諧振腔二、粒子數反轉1、亞穩(wěn)態(tài)能級：粒子在受激狀態(tài)下，可以存在的時間較長的能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。2、粒子數反轉：熱平衡狀態(tài)下，處于高能級的粒子遠遠少于處于基態(tài)的粒子數，如果在外界作用下打破平衡，使亞穩(wěn)態(tài)能級的粒子數大于處于低能級的粒子數，這種狀態(tài)稱為粒子數反轉3、激光工作物質：凡是

9、可通過激勵實現粒子數反轉的物質都稱激光工作物質。固體工作物質：摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）；紅寶石；釹玻璃；氣體工作物質：CO2分子氣體；He-Ne原子氣體；氬離子氣體；半導體工作物質：砷化鎵 工作物質工作物質被激勵后能發(fā)生粒子數反轉的活性物質被激勵后能發(fā)生粒子數反轉的活性物質激勵裝置激勵裝置能使激活介質發(fā)生粒子數反轉分布的能源能使激活介質發(fā)生粒子數反轉分布的能源光激勵： 用脈沖光源來照射工作介質（閃光燈、LD）；電激勵： 用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質原子；化學激勵：應用化學反應方法；熱激勵： 超音速絕熱膨脹法；注入式激勵：采用向半導體物質注入大電流的方法。典型激光器按工作

10、波段分類遠紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運轉方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器按工作物質分類固體激光器氣體激光器染料激光器半導體激光器激光器內部結構晶體腔：產生最原始的激光（包含YAG晶體，LED光源，電源）；全反光鏡：使光完全反射回去，增大光強度；半反射鏡：反射75%的光，只有滿足一定直線性，能量和波長的光才能通過，大約25%；Q-Switch：分X軸和Y軸，控制激光輸出能量，得到能量較強，持續(xù)時間較長的光束；功率計：量測輸出的激光能量大??；Shutter：控制激光輸出的一個開關。全反光鏡反光鏡： （越75%）Q-Switch晶體腔功率計Shutter接

11、光纖激光器外形激光器內部分解圖Q-Switch晶體腔半反鏡光纖耦合器(10 0)(02 0)(010)(00 0)CO2氣體激光器，YAG固體激光器，半導體激光器（一）CO2氣體激光器1、CO2氣體激光器的工作原理工作物質為：CO2、N2、He混合氣體，比例：6%、28%、66%；光束波長：10.6m;13010.6m09.6m0102、激光器的組成光學穩(wěn)定諧振腔：激光僅通過半透明反射鏡離開諧振腔。光學不穩(wěn)定諧振腔：諧振腔由100反射的反射鏡組成，激光經過其中一面反射鏡離開諧振腔。2、CO2激光器的組成2、電極4、冷卻水6、出水口8、激光束10、風機1、全反鏡3、交流電源5、諧振腔7、輸出窗口

12、9、熱交換器11、進水口3、CO2激光器的分類（1）根據氣體流動方式分類：封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動；慢 流 式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動；橫 流 式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向垂直；軸 流 式：工作氣體在諧振腔中流動方向與光束傳播方向同軸；（2）根據激勵方式分類：普通直流高壓激勵：交流升壓高壓整流（16kV）；逆變直流高壓激勵：交流變頻低壓整流直流升壓（16kV）；射頻激勵：采用無線電波的頻率進行激勵；（3）根據諧振腔形式分類：單管直腔式：光束在直線式的腔中振蕩，通常用于慢流式激光器中；折疊腔式：內部光路中增加折疊鏡，增加激光的振蕩長度以提高功率；激光器類型： 橫流

13、軸流擴散冷卻輸出功率等級：345kW 1.520kW0.23.5kW脈沖能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束傳播系數(K)0.150.40.8氣體消耗：小 大極小電-光轉換效率：15%15%30%焊接效果：較好 好優(yōu)良切割效果：差 好優(yōu)良相變硬化：好 一般一般表面涂層：好 一般一般表面熔覆：好 一般一般（二）固體激光器固體激光器分類根據工作物質分類：紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，三能級；Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06m，四能級；釹玻璃： 激活離子：Nd，波長:1.06m，四能級根據泵浦方式

14、分類：氪閃光燈泵浦：脈沖氪燈照射在工作物質棒上，輸出方式：脈沖；氪弧光燈泵浦: 連續(xù)氪弧燈照射在工作物質棒上，輸出方式：連續(xù)；二極管泵浦：采用陣列二極管照射工作物質棒，輸出方式：連續(xù)和脈沖；調Q激光器：采用調Q技術使得激光的脈沖能量大大地提高（幾百千瓦），脈沖寬度：100500ns，頻率：幾百62kHz。Nd:YAG激光波長1.06m, 可用于加工高反射率材料（如鋁、銅）激光活性物質釹(Nd3+離子)位于釔-鋁-石榴石(Y-A-G)組成的固態(tài)晶體中，該晶體通常呈棒狀，當光束質量較高時，也有可能為片狀或碟狀 。工業(yè)應用的脈沖Nd:YAG激光器的電源系統(tǒng)較為特殊，可輸出較高的脈沖功率，但平均功率較

15、低，峰值功率可以是平均功率的15倍。工業(yè)上應用的連續(xù)Nd:YAG激光器的輸出功率已達到5kW以上。連續(xù)Nd:YAG激光器與脈沖系統(tǒng)相比可達到更高的加工速度。連續(xù)Nd:YAG激光器具有Q-開關的特殊工作模式。Nd:YAG激光特性1、燈泵浦Nd:YAG激光器大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑710mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50800W。燈泵浦Nd:YAG體激光器將幾個Nd:YAG棒串聯起來可獲得高功率的激光束，每個獨立的棒可通過透鏡引導并規(guī)則的排列起來。目前的Nd:YAG激光器系統(tǒng)多達8個腔。輸出4kW功率

16、。1kW的脈沖Nd:YAG激光器2、二極管泵浦YAG激光器二極管在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用于打標時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護。而弧光燈泵浦激光器的壽命只在1000小時以下(打標激光器為2000小時以下)。低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：側向、橫向泵浦2、半導體泵浦YAG激光器低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：側向、橫向泵浦1. Nd:YAG晶體棒2. 激光束3. 輸出鏡4. 半導體陣列5. 后鏡6. 冷卻水7. 電源半導體在連續(xù)輸出模式下的使用壽命可超過10000小時(用于打標時壽命可超過15000小時)，而且無需任何維護。而弧光燈泵浦激光器的壽

17、命只在1000小時以下(打標激光器為2000小時以下)。二極管泵浦YAG激光器在材料加工中的優(yōu)勢燈式泵浦Nd:YAG激光器加工頭二極管泵浦Nd:YAG激光器加工頭的加工靈活性的增加聚焦直徑更小工作距離更遠加工效率更高(更高的速度或更低的功率要求)熱輸入低加工靈活性更高HQHQ光學鏡片更細小難以到達的工作區(qū)HQHQ = 由高質量光束引起較小的焦點直徑：切割、焊接時能達到很高的加工速度光束質量高： 工作距離大瑞利長度大： 焦點位置對公差不敏感（三）半導體激光器工作原理半導體結構內的電子空穴復合時，可以在非常窄、非常薄的區(qū)域內產生幾毫瓦功率的光。半導體激光器的應用半導體激光器焊接汽車尾燈半導體激光器

18、焊接橡膠與塑料工業(yè)用激光器總結激光加工系統(tǒng)工作臺CNC控制系統(tǒng) 第三章一、激光加工系統(tǒng)的構成 循環(huán)水冷系統(tǒng)激光器氣體供給系統(tǒng)光束傳輸及聚焦CNC控制激光器控制器二、光束的傳輸與聚焦（一）光束的傳輸擴束后的激光束f2f1擴束鏡激光束擴束鏡：用來控制激光器產生的原始光束的發(fā)散程度，將光束直徑調整到聚焦光學系統(tǒng)所需的任意尺寸。1、光束的擴束2、光束的轉向光束轉向鏡輸出2輸出1100%激光束CO2激光器和Nd:YAG激光器的傳統(tǒng)轉向方法都是將反射鏡插入在光束的傳輸路徑中。3、能量的分配幾何分配激光束透射分配激光束光束轉向鏡50%50%部分透射鏡50%50%4、反射鏡傳輸CO2激光器柔性臂式光束傳輸系統(tǒng)

19、基本原理.校準模塊光束反射腔聚焦模塊f3耦合單元激光束5、光纖傳輸光纖傳輸基本原理CCD光纖f1f2聚焦元件f1將進入光纖的光束聚焦到較小直徑，內耦合角不能超過某一臨界光纖相關值。激光束在光纖中傳出時是發(fā)散的，通過光學元件f2和f3進行校準和聚焦。光纖傳輸方式a) 階躍折射率光纖b) 梯度折射率光纖出光纖后的強度分布進入光纖前的強度分布折射指數nn1n2折射指數nn1n2出光纖后的強度分布進入光纖前的強度分布光纖傳輸方式光纖聚焦鏡冷卻設備光束轉向鏡激光束多路轉接器以很高的轉向頻率，依次給超過20根的光纖提供光源，適合“多點”或“多工位”激光加工。（二）光束的聚焦掃描式焊接加工頭變焦點光學元件（

20、三）、激光加工系統(tǒng)分類根據軌跡特性：二維平面軌跡系統(tǒng)（二軸、三軸）三維空間軌跡系統(tǒng)（四軸、五軸、六軸）根據時間特性：能分系統(tǒng)、時分系統(tǒng)二維平面軌跡加工（切割、焊接）系統(tǒng)四軸、三維空間軌跡加工系統(tǒng)三維空間軌跡機器人加工系統(tǒng)遠距離焊接系統(tǒng)原理（四）、工作氣體指焊接過程中作為保護或其它目的的工藝氣體。通常，噴嘴到工件的距離在310mm的范圍之間，典型的噴嘴孔直徑在48mm之間，經常使用低氣壓，氣體流速在830L/min之間。第四章第四章、激光激光打標與激光切割介紹打標與激光切割介紹激光標刻機激光標刻機燈泵浦激光打燈泵浦激光打標機標機半導體激光泵半導體激光泵浦打標機浦打標機二氧化碳激光二氧化碳激光打標

21、機打標機光纖激光打光纖激光打標機標機半導體側面泵半導體側面泵浦激光打標機浦激光打標機半導體端面泵半導體端面泵浦激光打標機浦激光打標機準分子激準分子激光打標機光打標機1.激光標刻機種類激光標刻機種類1）按激光器分）按激光器分2）按工作方式劃分）按工作方式劃分按工作方式可分為連續(xù)型激光標刻機和脈沖型激光標刻機。按工作方式可分為連續(xù)型激光標刻機和脈沖型激光標刻機。3）按激光器波長分）按激光器波長分按激光器波長分為紅外、可見光、紫外光激光標刻機。按激光器波長分為紅外、可見光、紫外光激光標刻機。4）按掃描方式分）按掃描方式分按激光器掃描方式分為光路靜止型和光路運動型。按激光器掃描方式分為光路靜止型和光路

22、運動型。典型為振鏡式、工作臺運動式、典型為振鏡式、工作臺運動式、x/y軸激光運動式。軸激光運動式。激光打標技術對比傳工藝的優(yōu)越性激光打標技術對比傳工藝的優(yōu)越性1、精度高，適應多種材料，且耐久性非常好4、易于數控搭載，自動化程度高2、時間和空間控制靈活,且加工方式靈活5、無污染，高環(huán)保3、線條精細，可用于防偽激光打標技術的廣泛應用激光打標技術的廣泛應用常用切割激光器及應用激光器激光器光束模式光束模式輸出功率輸出功率主要應用主要應用YAGYAG激光器激光器多模多模0-4kW0-4kW航空、機械、電子、動力、化工、汽航空、機械、電子、動力、化工、汽車制造等行業(yè)的零部件等的切割。車制造等行業(yè)的零部件等

23、的切割。COCO2 2激光器激光器多模多模0-10kW0-10kW金鋼石鋸片、雙金屬帶鋸條、水泵葉金鋼石鋸片、雙金屬帶鋸條、水泵葉片、鋼板、暖氣片的切割。片、鋼板、暖氣片的切割。光纖激光器光纖激光器TEMTEM00000-20kW0-20kW汽車行業(yè)異型板材切割汽車行業(yè)異型板材切割激光切割技術對比傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)越性激光切割技術對比傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)越性切割工藝切割工藝激光切割激光切割氣燃體切割氣燃體切割等離子等離子切割切割模沖模沖鋸切鋸切線切割線切割水切割水切割電火花電火花加工加工切縫切縫很小很小很大很大較大較大較小較小較大較大較小較小較大較大很小很小變形變形很小很小嚴重嚴重較大較大較大較大較

24、小較小很小很小小小很小很小精度精度高高低低低低低低低低高高高高高高圖形變更圖形變更很容易很容易較容易較容易較容易較容易難難難難容易容易容易容易容易容易速度速度較高較高低低較高較高高高很慢很慢很慢很慢較高較高很慢很慢費用費用較低較低較低較低較低較低低低較低較低較高較高很高很高很高很高由上表可見，激光加工在整體上存在明顯的優(yōu)勢！由上表可見，激光加工在整體上存在明顯的優(yōu)勢！不論是不論是從精度、速度、還是費用從精度、速度、還是費用上激光加工的優(yōu)勢很明顯。而且圖形變更上也比上激光加工的優(yōu)勢很明顯。而且圖形變更上也比其他加工方式容易的多。因此激光加工是現代工業(yè)生產商不可缺少的必備手法。其他加工方式容易的多

25、。因此激光加工是現代工業(yè)生產商不可缺少的必備手法。切割質量好切割質量好：切口細窄，表：切口細窄，表面光潔，熱影響區(qū)小面光潔，熱影響區(qū)小切割效率高切割效率高：與數控搭載，：與數控搭載，可適用不同形狀零件可適用不同形狀零件切割速度快切割速度快：1200w切切2mm低碳鋼，速度可達低碳鋼，速度可達600cm/min非接觸式切割非接觸式切割：無刀具磨：無刀具磨損損切割材料多切割材料多：金屬、非金：金屬、非金屬、復合材料、皮革、纖屬、復合材料、皮革、纖維、木材等維、木材等易實現自動化易實現自動化：與計算機：與計算機數控技術結合數控技術結合激光雕刻加工是利用數控技術為基礎，激光為加工媒介。加工材料在激光照

26、射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，達到加工的目的。激光雕刻技術的應用領域激光雕刻技術的應用領域皮革服裝業(yè)皮革服裝業(yè)廣告裝飾行業(yè)廣告裝飾行業(yè)工藝禮品工藝禮品印刷包裝印刷包裝2022-3-1477第五章、激光焊接技術2022-3-1478主 要 內 容1、概述2、激光焊接原理3、工藝特性及參數調節(jié) 4、激光焊接加工系統(tǒng)5、激光先進焊接技術 2022-3-14氧 乙 炔 焊 接氧 氫 焊 接氣 焊焊 條 電 弧 焊 C O 2 電 弧 焊熔 化 極 焊鎢 極 氬 弧 焊等 離 子 焊非 熔 化 極 焊電 弧 焊鋁 熱 焊電 渣 焊電 子 束 焊熔 焊鍛 焊點 焊縫 焊凸 焊對 焊電 阻 焊超 聲 焊壓

27、 焊火 焰 釬 焊釬 焊基 本 焊 接 方 法縫 焊點 焊對 焊低 頻 焊縫 焊點 焊對 焊工 頻 焊對 接 縫 焊高 頻 焊交 流 焊點 焊縫 焊對 焊直 流 焊對 焊縫 焊點 焊電 容 儲 能 焊脈 沖 焊點 焊縫 焊直 流 沖 擊 波 焊電 阻 焊2022-3-14激光焊與電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊的對比激光焊與電阻焊、氬弧焊、電子束焊、等離子焊的對比1）電阻焊：）電阻焊：它用來焊接薄金屬件，在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面，即通過工件電阻發(fā)熱來實施焊接。工件易變形，而激光焊只從單邊進行。2）氬弧焊：）氬弧焊：使用非消耗電極與保護氣體，常用來焊接薄工件，但焊

28、接速度較慢，且熱輸入比激光焊大很多，易產生變形。3）等離子弧焊：）等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產生壓縮電弧，以提高弧溫和能量密度，它比氬弧焊速度快、熔深大，但遜于激光焊。4）電子束焊：）電子束焊：它高能密度電子流撞擊工件，在工件表面很小密積內產生巨大的熱，形成“小孔”效應，從而實施深熔焊接?？恳皇铀匐娮邮傅闹饕秉c是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設備復雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制。2022-3-1482焊接設備的投資花費工藝類型工藝類型相對設備投入相對設備投入 (手工電弧焊手工電弧焊=1)手工電弧焊手工電弧焊(MMA)1埋弧焊（埋弧焊（SAW）10電渣焊電渣焊20+鎢極氬弧焊鎢

29、極氬弧焊(TIG)2等離子弧焊等離子弧焊20+熔化極氬弧焊（熔化極氬弧焊（MIG）2電阻焊（對接）電阻焊（對接）0.5-10氧焊氧焊0.2電子束焊電子束焊10-450摩擦焊摩擦焊4-100激光焊激光焊100+電阻焊焊接基本原理電阻焊焊接基本原理 焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近焊件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻焊區(qū)域產生的電阻熱進行焊接的方法稱為電阻焊 。優(yōu)點，優(yōu)點， 1 1）電阻焊具有生產效率高；）電阻焊具有生產效率高； 2 2）焊接質量好；）焊接質量好； 3 3）低成本、節(jié)省材料；）低成本、節(jié)省材料；

30、4 4）勞動條件較好；）勞動條件較好； 5) 5)易于自動化等特點，因此廣泛應用于航空、航天、能源、電子、易于自動化等特點，因此廣泛應用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等各工業(yè)部門，是重要的焊接工藝之一。汽車、輕工等各工業(yè)部門，是重要的焊接工藝之一。 和電弧焊接相比較：和電弧焊接相比較：1）熱效率高，）熱效率高，2）焊縫致密）焊縫致密、沒有疏松和裂紋、沒有疏松和裂紋等缺陷。等缺陷。2022-3-1485通過激光束熔化材料來實現材料的連接；相對于其他激光加工工藝，激光焊接需要的能量密度更大。近年來，高功率、高質量光束激光器的發(fā)展，使得激光焊接成為工業(yè)應用關注的焦點。 激光焊接過程中會形成穩(wěn)定

31、的等離子體（耀眼的藍色，但是在激光切割中，等離子體被徹底壓制，并隨熔融金屬材料向下移動。常用焊接激光器及應用常用焊接激光器及應用激光器激光器波長波長/m光束模式光束模式輸出功率輸出功率主要應用主要應用YAG激光器1.06多模0-4kW航空、機械、電子、通訊、動力、化工、汽車制造等行業(yè)的零部件和電池、繼電器、傳感器、精密元器件等工件的焊接。CO2激光器10.6多模0-10kW金鋼石鋸片、雙金屬帶鋸條、水泵葉片、齒輪、鋼板、暖氣片焊接的焊接。半導體激光器0.8-0.9多模0-10kW塑料焊接、PCB板點焊，錫焊。光纖激光器1.06TEM000-20kW汽車車身焊接光斑一致性好，紅光與圓形光斑同心，

32、能量輸出效果最佳，穩(wěn)定。焊接應用實例：（1）標準YAG脈沖脈沖激光器對常用金屬焊接不銹鋼、碳鋼、鋁材等，焊接厚度可達到2mm，經過打壓測試，能夠承受25Kg以上的壓力。（2）手機通信電池應用，0.3mm殼厚焊接強度測試，抗壓10Kg以上；（3）汽車動力電源應用，0.8mm殼厚焊接強度測試，抗壓25Kg以上；（4）用大功率連續(xù)激光器對較厚材料進行焊接，如碳鋼、不銹鋼可焊厚度可達到9mm13mm；（5）5mm厚碳鋼管材焊接，抗拉伸測試，焊縫能夠承受400兆帕兆帕以上壓力，最后母材斷裂母材斷裂，激光焊接焊縫完好?？蓪⑷霟崃拷档阶畹蜏囟龋蓪⑷霟崃拷档阶畹蜏囟?，熱影響范圍小，熱影響范圍小，熱變形最低熱

33、變形最低降低厚板焊接所需時間，降低厚板焊接所需時間，省省填料金屬填料金屬無需電極，無需接觸無需電極，無需接觸；損；損耗及變形可降至最低耗及變形可降至最低激光束易聚焦激光束易聚焦,可再引導，可再引導，實實現柔性加工現柔性加工(其他焊接易受空其他焊接易受空間限制無法發(fā)揮間限制無法發(fā)揮)工件可放置在任意條件工件可放置在任意條件（如真空或內部氣體環(huán)（如真空或內部氣體環(huán)境）境）激光束可聚集在很小區(qū)域，激光束可聚集在很小區(qū)域，可焊接小型且間隔很近部可焊接小型且間隔很近部件件可焊材質種類多，亦可異可焊材質種類多，亦可異質焊接，質焊接，易于實現自動化易于實現自動化不受磁場影響，無需真空；不受磁場影響，無需真空

34、；可可切換裝置將激光送達多個工作切換裝置將激光送達多個工作站站激光焊接技術的廣泛應用激光焊接技術的廣泛應用制造業(yè)制造業(yè)汽車工業(yè)汽車工業(yè)電子工業(yè)電子工業(yè)生物醫(yī)學生物醫(yī)學2022-3-14932、激光焊接原理及物理機制 按焊接特性分：熱傳導焊、深熔焊 按光束特性分：脈沖激光焊、連續(xù)激光焊； 按工藝方法分：純激光焊、激光填絲焊、激光釬焊、雙光束激光焊、激光復合焊等。激光焊接技術分類：激光焊接技術分類：2022-3-1494激光熱傳導焊 激光輻射到材料表激光輻射到材料表面的功率密度較低面的功率密度較低（106 W/cm2），光），光能量只能被材料表層吸能量只能被材料表層吸收，然后依靠熱傳導效收，然后依

35、靠熱傳導效應傳輸熱量。應傳輸熱量。2022-3-1495熱導焊穿透深度 式中，式中，z為激光在材料表層的穿透深度為激光在材料表層的穿透深度(通常只有幾十通常只有幾十微米微米)，為材料對激光的吸收系數，為材料對激光的吸收系數，I0為材料表面吸為材料表面吸收的光強，收的光強，I為光入射至為光入射至z處的光強。處的光強。 一旦表面溫度達到熔點，材料表面熔化，只要表面溫一旦表面溫度達到熔點，材料表面熔化，只要表面溫度不超過沸點，熔化波向材料內部穩(wěn)定傳播，其傳播度不超過沸點，熔化波向材料內部穩(wěn)定傳播，其傳播速度與激光功率密度和材料的液相、固相熱力學參數速度與激光功率密度和材料的液相、固相熱力學參數有關。

36、有關。01IzlnI = 2022-3-1496熱傳導焊接只適合薄板激光焊接 當板材厚度低于0.3mm時，熱傳導焊接可以獲得很高的焊接速度，有一定的工業(yè)價值； 當板材厚度高于2mm，則激光熱傳導焊接的速度就太低，產業(yè)界無法接受； 熱傳導激光焊接時，熱傳導系數高的材料比系數低的材料，焊接速度要快得多； 激光熱傳導焊接技術主要用于薄壁零部件激光熱傳導焊接技術主要用于薄壁零部件的連接，如細金屬絲（線），薄壁金屬板材的連接，如細金屬絲（線），薄壁金屬板材和管材。和管材。2022-3-1497激光深熔焊 激光功率密度達到106108 W/cm2，能夠迅速汽化材料并在材料內部形成小孔，并依靠小孔的移動形成

37、焊縫。2022-3-1498激光焊接能量傳輸比例激光焊接過程中：激光焊接過程中： 4050的能量由于熱傳導損失掉，并導致的能量由于熱傳導損失掉，并導致 熱影響區(qū)的產生；熱影響區(qū)的產生； 2025的能量消耗于潛熱相變；的能量消耗于潛熱相變； 2530的能量消耗于焊縫溫升。的能量消耗于焊縫溫升。 具體還取決于材料的導熱系數！具體還取決于材料的導熱系數！2022-3-14993、工藝特性及參數調節(jié)輸出方式（脈沖或輸出方式（脈沖或連續(xù)）、光斑聚焦連續(xù)）、光斑聚焦尺寸、光束模式、尺寸、光束模式、偏振狀態(tài)、波長偏振狀態(tài)、波長激光功率、聚焦激光功率、聚焦位置，焊接速度、位置，焊接速度、焊接結構與方式，焊接結

38、構與方式，拼接間隙拼接間隙氣體成分氣體成分保護方式保護方式氣壓與流量氣壓與流量材料成分材料成分材料厚度材料厚度主要工藝參數主要工藝參數（1）激光束特點（光源）激光束特點（光源）（2）激光束調節(jié)參數及接頭）激光束調節(jié)參數及接頭 形式形式（3）保護氣體類型）保護氣體類型（4）材料特性）材料特性2022-3-142022-3-14101脈沖激光焊接時的工藝參數范圍比較激光切割激光切割激光打孔激光打孔脈脈沖沖能能量量焦焦耳耳脈寬（脈寬（ms)激光熱傳導焊接激光熱傳導焊接激光深熔焊接激光深熔焊接脈寬越大，脈寬越大，越有利于脈越有利于脈沖激光焊接沖激光焊接2022-3-14102激光波長對焊接過程的影響對

39、激光熱傳導焊接來說，波長的影響非常大。對激光熱傳導焊接來說，波長的影響非常大。短波長的吸收率高，焊接深度也高。短波長的吸收率高，焊接深度也高。波長對激光深熔焊接過程也有重要影響，主要波長對激光深熔焊接過程也有重要影響，主要表現為小孔外光致等離子對激光束能量的吸收：表現為小孔外光致等離子對激光束能量的吸收：n2 2 T3/2n-n-氣體密度，氣體密度，激光波長，激光波長，T-T-等離子溫度等離子溫度 n2 2 T3/2（1 1）對于短波長激光而言，等離子體云對激光束）對于短波長激光而言，等離子體云對激光束的吸收程度較低；的吸收程度較低；Nd:YAGNd:YAG激光焊接時等離子體對激光焊接時等離子

40、體對激光束的吸收率較低，因此可以采用較為便宜的激光束的吸收率較低，因此可以采用較為便宜的氣體。氣體。（2 2）對于長波長激光而言）對于長波長激光而言(CO2(CO2激光器激光器) )，為了減少，為了減少等離子體對激光能量的吸收，可采用電離度較大的等離子體對激光能量的吸收，可采用電離度較大的氣體（氣體（HeHe）2022-3-14103材料特性對激光焊接的影響 反射率：電阻率越小，材料反射率越大，如Cu、Al等金屬的反射率很高，不利于激光焊接。 此外，材料表面溫度對材料反射率也有一定影響：溫度越高，反射率越低。材料表面狀材料表面狀況況激光束能量吸收率激光束能量吸收率 (%)純鋁純鋁5456鋁合金

41、鋁合金原始狀態(tài)原始狀態(tài)75-12電解拋光電解拋光54噴砂噴砂2022陽極氧化陽極氧化22272022-3-14104聚焦位置對焊接接頭主要參數的影響最小光斑的影響最小光斑的影響：足夠的功率密度才能形成小孔效應。足夠的功率密度才能形成小孔效應。厚板激光焊接通常采用負離焦厚板激光焊接通常采用負離焦0.5-1.5mm）12/44. 2min=lpDfd2022-3-14105保護氣體對激光焊接的影響目的：抑制等離子體屏蔽作用、提高焊接效率焊接中常用氣體及其特性，選用時要同時考慮實際效果和經濟性2022-3-14106氣體保護方式 同軸噴嘴 旁軸噴嘴2022-3-14107激光焊縫質量的主要評價指標焊

42、縫成形質量：宏觀形貌（未熔透、咬邊、未填滿、過燒等）、微觀冶金缺陷（氣孔、裂紋等）；微觀組織：晶粒大小、組織形態(tài)及物相結構、合金成分、熱影響區(qū)寬度及組織等；焊縫力學性能：抗拉強度、彎曲強度、沖擊； 韌性、塑性、硬度等。2022-3-14108激光焊接接頭常見缺陷2022-3-141095 激光焊接加工系統(tǒng)組成激光焊接加工系統(tǒng)組成 涉及光學、機械、控制、計算機等多學科的集成，主要包括： 激光器及其水冷系統(tǒng) 數控系統(tǒng) 光學系統(tǒng) 焊縫跟蹤及焊縫質量在線檢測裝置 工裝夾具2022-3-14110激光加工平臺實例2022-3-14各種電池的激光焊接焊接部位2022-3-14CATL Confidenti

43、al電池焊接：電阻點焊接與激光焊電池點焊機電阻焊：電阻焊：工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產生的電阻熱進行焊接的方法。激光焊：激光焊：利用激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等激光參數，使工件熔化，形成特定的熔池。電池激光焊機CATL Confidential方形動力電芯成組2022-3-14寶馬I3方形動力電池頂蓋自動激光焊接方形動力電池頂蓋自動激光焊接線線2022-3-142022-3-14115新型激光焊接技術 2022-3-14116雙光束激光焊接2022-3-14117雙光束激光復合類型（1

44、）激光束激光束之間復合；（2）CO2復合；（3）Nd:YAG脈沖激光脈YAG激光復合；2022-3-14118激光電場（磁場）復合焊接 主要是通過外場來消除等離子屏蔽效應，以達到提高焊接熔深或焊接效率的目的。2022-3-14119激光-電弧復合焊接 單純激光焊接存在以下問題： 鋁合金等高反射率材料的焊接存在相當難度； 焊接冶金缺陷多，接頭韌性不高； 裝夾精度要求高。 1978年，英國Steen 教授首次提出復合焊接的概念，研究表明激光電弧復合焊接優(yōu)點突出，應用前景廣闊，是當前最具發(fā)展前景的激光先進焊接技術。2022-3-14120低碳鋼激光電弧復合焊接激光激光MIGMIG復合焊接：復合焊接： 焊接熔深提高焊接熔深提高6060，焊接速度提高，焊接速度提高170170激光激光TIGTIG復合焊接：復合焊接：焊接熔深提高焊接熔深提高4444 激光焊接激光焊接 電弧焊接電弧焊接 復合焊接復合焊接2022-3-14121激光電弧復合焊接焊縫形貌電弧區(qū)電弧區(qū)激光區(qū)激光區(qū)復合焊接焊縫形貌特征復合焊接焊縫形貌特征2022年3月14日122激光電弧復合焊接系統(tǒng)TIG焊機焊機MIG焊機焊機第五章 激光清洗 LogoCatalogue激光清洗的原理1激光清洗的方法2激光清洗的優(yōu)點3激光清洗的應用 Logo激光清洗的原理脈沖式的