材料成形工藝：第11章 激光焊接

1、第11章 激光焊接激光焊接原理激光焊接工藝及應(yīng)用Laser BeamPlasmaKeyholeWeld pool 激光焊特點(diǎn)： 加熱集中 焊接變形小 焊后加工量小 自動(dòng)化柔性焊接 生產(chǎn)效率高 激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的的一種高效精密焊接方法?？罩锌蛙囈约す夂复驺T焊制造飛機(jī)壁板，降低成本20%，飛機(jī)減重10%A318后機(jī)身下部蒙皮，制造工時(shí)與鉚接相比減少了40% Boeing公司激光焊研究 LBW/SPF LBW/SPE/DB LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation通過幅射的受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光的放大別

2、名: 萊塞 、雷射、鐳射，激光也是電磁波，具有波粒二象性。激光一名得自錢學(xué)森(1965）一、激光產(chǎn)生原理及激光焊接自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射處于高能級(jí)E2的粒子受到頻率v=(E2-E1)/h的外來光子的激勵(lì)，從E2躍遷到E1上去，并發(fā)出一個(gè)和外來光子完全相同的光子受激輻射是激光產(chǎn)生的主要物理基礎(chǔ)。1.激光產(chǎn)生的基本原理平衡狀態(tài)下粒子數(shù)分布E2E1, N1 N2B12=B21(受激輻射與受激吸收幾率相等) N1B12N2B21受激吸收 受激輻射吸收狀態(tài)波爾茲曼分布K1.3810-23J/粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(非熱力學(xué)平衡態(tài)） （受激輻射光放大的實(shí)現(xiàn)）當(dāng)且僅當(dāng) N2 N1， B21N2B12N1受激輻射

3、受激吸收，受激放大 激光受激放大是一種相干放大（光子狀態(tài)相同：頻率、傳播方向、偏振、相位）三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)光的雪崩式放大2.激光的產(chǎn)生過程與激光特性激光產(chǎn)生三要素B2減少，B1增大，受激輻射和手激吸收平衡時(shí)，得到穩(wěn)定輸出的激光。激光的特性方向性強(qiáng)近似平行傳播，遠(yuǎn)距離傳輸而不顯著擴(kuò)散亮度高亮度單位發(fā)光面積向單位立體角上發(fā)散的功率激光是目前世界上最亮的光源單色性好單色性：光源所發(fā)出的光所包括的頻率范圍世界上單色性最好的光源聚焦時(shí)沒有色差為什么選擇激光作為加工熱源？方向性單色性高亮度很小面積的光斑上聚集很高的功率理想的加工熱源激光的描述參數(shù)激光波長：熱加工激光波長一般在紅外波段激光功率：一般指

4、激光器的出光功率光束發(fā)散角：很小，一般為mrad光斑大?。汗鈴?qiáng)降為中心強(qiáng)度的1/e2時(shí)的半徑激光模式：縱模：激光沿光軸的縱向分布規(guī)律，反映激光頻率特性橫模：激光沿光軸的橫向分布規(guī)律描述激光場強(qiáng)在橫向(光軸橫截面)上的分布特征TEMmn (Transverse Electromagnetic Wave)m、n：兩個(gè)垂直方向出現(xiàn)暗線的次數(shù)橫模對(duì)激光熱加工有重要意義,反映了能量在光束橫截面上的集中程度橫模通常簡稱模式3.激光的模式-橫模橫模基模TEM00TEM00:基模,能量密度最集中的模式幾種低階模幾種高階模 橫模-高斯模橫模高斯光束TEM00高斯光束,光場按高斯函數(shù)分布:I(x,y,0)=I(0

5、,0,0)exp(-2(x2+y2)/a)=I0 exp(-2r2)中心光強(qiáng) I(0,0,0)=I0光斑半徑w(z)定義為I(x,y,z)=1/e2I(0,0,0)包含的范圍,86.5%總光強(qiáng)。4.激光設(shè)備組成激光器的基本組成工作物質(zhì)：產(chǎn)生激光的物質(zhì)激勵(lì)源：提供能量激勵(lì)工作物質(zhì)諧振腔： 選模，光發(fā)大電源：為激勵(lì)源提供能量冷卻系統(tǒng)：冷卻工作物質(zhì)、諧振腔等控制系統(tǒng)：保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作1960年，世界上第一臺(tái)激光器誕生于美國常用工業(yè)激光器及激光加工系統(tǒng)導(dǎo)光系統(tǒng)和加工機(jī)床LaserLensMirrorWork piece5、激光加工工藝及應(yīng)用激光聚焦功率密度在102W/mm2時(shí)，作用于金屬表面，主

6、要產(chǎn)生溫升相變現(xiàn)象，用作激光相變硬化；激光聚焦功率密度在102104W/mm2的范圍時(shí)，金屬材料除了產(chǎn)生溫升、熔化現(xiàn)象之外，主要是氣化，同時(shí)還存在激波和駭波，用于熔化、焊接、合金化和熔敷。激光作用時(shí)間在10-6s，聚焦功率密度增加到109W/mm2時(shí)，除了產(chǎn)生上述現(xiàn)象外，金屬內(nèi)熱壓縮激波和金屬表面上產(chǎn)生的駭波沖擊效應(yīng)為主要現(xiàn)象，主要用于沖擊硬化。 5.1材料對(duì)激光吸收聚焦激光具有極高的功率密度 功率密度：104109 W/cm2，106以上時(shí)，材料表面會(huì)出現(xiàn)汽化。 表面加熱速度104 1010，交互作用時(shí) 間10-310-6s。感應(yīng)加熱：103 W/cm2；電子束加熱max 105 W/cm2

7、；電火花加熱max 103 W/cm2。 熱效應(yīng)只集中在材料表面很薄的區(qū)域內(nèi) 1m：0.01-0.1微米“從0.25m紫外到10.6m紅外波段測量結(jié)果表明， 光波在各種金屬中的穿透深度只達(dá)到10nm數(shù)量級(jí)” 陸建著激光與材料相互作用物理學(xué)對(duì)金屬表面狀況極為敏感金屬對(duì)激光吸收的微觀機(jī)制是光頻電磁波與 金屬表面自由電子的相互作用 紅外激光、光子能量低只與自由電子作用； 可見光與紫外光還可與金屬中的束縛電子作用， 因?yàn)榻饘僦械氖`電子固有頻率常處于可見光或紫外 光頻段； 不同金屬、核外電子不同，差別顯著。但金屬與非金 屬、半導(dǎo)體具有根本不同金屬鍵決定。金屬對(duì)激光的吸收能力實(shí)際上決定著能否實(shí) 現(xiàn)激光加

8、工及加工的方式 材料對(duì)激光吸收才談得到加工問題 提高激光能力吸收率的措施 5.2激光焊機(jī)理（1）傳熱焊功率密度106 W/cm2時(shí)，金屬表面被激光迅速加熱升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化。通過熱傳導(dǎo)方式將熱能傳向金屬內(nèi)部。汽化反沖壓力凹陷加深深熔焊熔化金屬的重力和表面張力有使小孔彌合的趨勢，而連續(xù)產(chǎn)生的金屬蒸汽則力圖維持小孔的存在。激光深熔焊中的幾種效應(yīng)1)壁聚焦效應(yīng) 2)凈化效應(yīng) CO2激光焊接時(shí)，有害元素減少或夾雜物減少的現(xiàn)象。 對(duì)于波長為10.6微米的CO2激光，非金屬的吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬。3）激光跟蹤縫隙效應(yīng) 復(fù)合焊。二、 激光表面改性技術(shù)金屬激光強(qiáng)化處理不熔化熔化汽化合金化熔敷相變硬化非

9、晶化晶粒細(xì)化沖擊硬化金屬激光處理方法分類2.1激光相變硬化原理激光相變硬化的特點(diǎn)功率密度高、加熱快、冷卻快、淬火組織細(xì)、硬度高（提高1520）；輸入熱量少、變形量極小、基本不破壞表面光潔度；經(jīng)本體熱傳導(dǎo)冷卻、無需冷卻介質(zhì)、冷卻特性良好；硬化層與基體形成最佳的冶金結(jié)合，處理層存在耐疲勞的壓應(yīng)力；選擇性局部表面淬火，硬化層深度、范圍可控，可處理內(nèi)孔、溝槽等復(fù)雜形狀部位；便于在生產(chǎn)線上進(jìn)行自動(dòng)化控制；硬化層深0.11mm，工件要黑化處理；表面硬化，硬化面積小，深度淺，設(shè)備一次性投資大。2.2 激光快速熔凝與合金化 一類是不發(fā)生組織的根本變化，僅僅是快速熔凝造成晶粒細(xì)化。例如Al-Si合金，組織都是-

10、Al固溶體+Si，只是晶粒顯著細(xì)化，不發(fā)生特殊相變，提高性能有限。普通的鋼也屬于此類?？焖偃勰凸虘B(tài)淬硬，室溫下都得到馬氏體+殘余奧氏體。但熔凝處理除了細(xì)化奧氏體并進(jìn)一步細(xì)化馬氏體（這一點(diǎn)和固態(tài)淬硬一致）外，在從液態(tài)到奧氏體結(jié)晶過程中，奧氏體從液固界面向表面快速生長（與熱流方向相反），形成定向排列（晶粒軸指向表面）的柱狀晶結(jié)構(gòu)，與固態(tài)相變時(shí)奧氏體呈等軸晶結(jié)構(gòu)不同。隨后發(fā)生的馬氏體相變，馬氏體（例如中、低碳鋼的條狀馬氏體束）也大體指向表面，這種結(jié)構(gòu)顯著提高耐磨性，并相應(yīng)提高硬度。 例45鋼激光表面固態(tài)淬硬，可達(dá)HRC 5658 激光快速熔凝強(qiáng)化，可達(dá)HRC 5860 后者耐磨性亦顯著提高。不改變

11、成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制不改變成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制45鋼激光熔凝層(上) 和熱影響區(qū)(下)的馬氏體(原奧氏體)分布激光固態(tài)相變硬化的條狀馬氏體不改變成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制另一類快速熔凝處理后，獲得了與固態(tài)相變硬化完全不同的表層組織，從而根本改變了性能：硬度和耐磨性發(fā)生大幅度提高。典型例子是鑄鐵。Fe-Fe3C、Fe-石墨（G）雙重相圖。按穩(wěn)定系結(jié)晶（緩冷，室溫下由-Fe+G組成，此時(shí)C主要存在于石墨中），鑄鐵件表層組織全由珠光體+G構(gòu)成時(shí)硬度只有HB 220280（相當(dāng)于HRC2028）；按介穩(wěn)系結(jié)晶（快速凝固后室溫下由萊氏體+M+ 組成），激光熔凝得到白口表層（此時(shí)C主要存在于高硬度的Fe3

12、C中），且萊氏體生長方向指向表面，硬度至少達(dá)到HRC 5052，從而顯著強(qiáng)化。不改變成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制鑄鐵的激光熔凝組織(1）鑄鐵的激光熔凝組織(2）不改變成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制不改變成分的快速熔凝強(qiáng)化機(jī)制鑄鐵的激光熔凝組織(3）激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例激光相變硬化應(yīng)用實(shí)例改變化學(xué)成分的激光熔凝處理激光合金化和激光熔覆強(qiáng)化機(jī)制:利用不同合金元素的單獨(dú)或組合添加，形成按需要設(shè)計(jì)的各種過飽和固溶體，介穩(wěn)相和各種金屬間化合物，甚至新的相（只有在這種遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)快速凝固過程中才能形成的相即偏離了相圖的一

13、些相），必然使表層性能發(fā)生根本變化。當(dāng)然，凝固的快速特征也還同時(shí)使晶粒細(xì)化也有重要作用。從本質(zhì)上說，激光合金化與激光熔覆時(shí)，熔池內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)冶金過程和機(jī)制是相同的，其區(qū)別只是由于方式的不同造成熔池內(nèi)的成分可以有很大差別甚至根本差別 。2.3 激光熔敷改性(Laser cladding) INTRODUCTION Laser cladding is a hardfacing process that uses a high-powered laser beam to melt the coating material and a thin layer of the substrate to

14、form a pore- and crack- free coating 50m2 mm thick with low dilution that is perfectly bonded to the substrate. : Advantages of Laser cladding Thickness: 50 m2mmdecrease friction or to resist corrosion and some forms of intense wear and high surface stress conditions. The thickness of protective lay

15、ers must be adapted to the deterioration mechanisms . Ion implantation, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and electroplating. 激光熔覆與類似方法的比較激光合金化與熔覆工藝方法側(cè)向送粉法， 同軸送粉法激光熔覆層的基本性能激光熔覆層的主要性能高硬度高耐磨性高耐蝕性抗高溫氧化性能抗蠕變性能激光熔覆層的性能主要取決于熔覆材料的特性激光熔覆工藝參數(shù)基體材料激光熔覆層的硬度激光熔覆層的耐磨性激光熔覆的凝固過程激光熔覆是

16、一種典型的快速凝固過程激光熔覆的快速凝固特性顯微組織的細(xì)化用高能量密度(104106w/cm2)、高重復(fù)頻率的脈沖激光作用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軋棍表面，同時(shí)輔以合適的吹除氣體，從而在軋棍表面形成凸凹有序、硬度極高的毛化形貌激光毛化微結(jié)構(gòu)示意圖激光毛化坑陣列橫截面示意圖三、 其他激光加工方法1.激光毛化激光毛化技術(shù)特點(diǎn)改善深沖性能提高涂鍍性能和鮮映度板型的可開發(fā)性強(qiáng)化軋輥的表面強(qiáng)度，提高軋輥使用壽命無變形低成本環(huán)保激光毛化與電火花毛化比較形成的凸臺(tái)、凹坑同時(shí)被激光強(qiáng)化（壽命長） 毛化形貌、密度可控、有序?qū)儆跓o污染文明生產(chǎn)工藝形成的是尖狀毛刺和電蝕坑毛化、密度無序、不可控需要30噸絕緣油工作激光毛化形貌電

17、火花毛化形貌激光毛化應(yīng)用范圍平整機(jī)的工作輥 帶鋼在各種涂層或涂層工藝之前的表面毛化處理 冷軋機(jī)的工作輥 冷連軋機(jī)組最后機(jī)架的工作輥，或單機(jī)架軋機(jī)熱處理前的板面毛化處理 激光毛化設(shè)備 昆 鋼 毛 化 設(shè) 備 整 體 圖 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型斬光盤2.激光快速成形基本概念與傳統(tǒng)制造方法不同，激光快速成形從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束將材料堆積而形成實(shí)體零件或零件原型由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性2.1激光快速成形疊層制造法(LOM)b) 由疊層制造法制

18、造的機(jī)軸零件圖疊層制造法原理圖a) 疊層制造工藝原理圖激光快速成形疊層制造法(LOM) LOM工藝優(yōu)點(diǎn)無須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；激光束只是沿著物體的輪廓掃描，無需填充掃描，成型效率高；成型件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形??；制造成本低。LOM工藝優(yōu)點(diǎn)材料利用率低；表面質(zhì)量差；后處理難度大，尤其是中空零件的內(nèi)部殘余廢料不易去除；可以選擇的材料種類有限，目前常用的主要是紙；對(duì)環(huán)境有一定的污染。 LOM工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形小和形狀簡單的實(shí)體類零件。通常用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模和功能測試零件，且由于制成的零件具有木質(zhì)屬性，特別適用于直接制作砂型鑄造模。激光快速成形疊層制造法(LOM)LOM制造的零件實(shí)例 光

19、固化法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種快速原型制造工藝光固化成型原理圖2.2激光快速成形光固化法(SL)激光快速成形光固化法 光固化采用的是將液態(tài)光敏樹脂固化到特定形狀的原理。以光敏樹脂為原料，在計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。 光固化成形所能達(dá)到的最小公差取決于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。 激光快速成形光固化法優(yōu)點(diǎn)精度較高，一般尺寸精度控制在0.1mm；表面質(zhì)量好；原材料的利用率接近100；能制造形狀特別復(fù)雜、特別精細(xì)的零件；設(shè)備的市場占有率很高。 缺點(diǎn)可以選擇的材料種類有限；容易發(fā)

20、生翹曲變形；材料價(jià)格較貴。該工藝適合比較復(fù)雜的中小件。光固化制件精度高，不加工即可裝配小零件2.3激光快速成形激光選區(qū)燒結(jié)(SLS) 激光選區(qū)燒結(jié)是一種將非金屬或金屬粉末有選擇地?zé)Y(jié)成單獨(dú)物體的工藝。激光選區(qū)燒結(jié)原理圖激光快速成形激光選區(qū)燒結(jié)(SLS) SLS工藝特別適合制作功能測試零件。可用于直接制造金屬模具或金屬零件。由于該工藝能夠直接燒結(jié)蠟粉，與熔模鑄造工藝相接特別適合進(jìn)行小批量比較復(fù)雜的中小零件的生產(chǎn)。 零件尺寸：440.8241.9449.4mm3制作時(shí)間：32小時(shí)制作時(shí)間：43.5小時(shí)選區(qū)燒結(jié)制作的大尺寸、復(fù)雜形狀的精密鑄造熔模(a) 具有高表面積體積比的鈦結(jié)構(gòu)件（25mm3）(b

21、) 飛機(jī)前端錐 (c)飛機(jī)葉片 用SLM方法制造的航空超輕結(jié)構(gòu)件（不影響性能的前提下，重量減輕90%左右） 用SLM方法制造的金屬微熱交換器（主要應(yīng)用在航空電子領(lǐng)域） 選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）Laser/Isostatic pressing technology for near net-shapeLaserworkbenchForming tankT，PHIP equipmentShaped partSLS/SLMCIP/HIPNear net-shape partSLS/CIPSLS part and the CIP dense partCI

22、P parts after 1250 vacuum sintering3.激光標(biāo)記通過激光束在各種不同的物理表面上打上永久的標(biāo)記，兩種原理：熱加工：高的能量密度，表面發(fā)生溫度上升、熔融、燒使、蒸發(fā)等熱過程冷加工：高能量的光子打斷材料的化學(xué)鍵，致使材料發(fā)生非熱過程破壞，材料無升溫、熔化等熱加工現(xiàn)象，無“熱損傷”激光標(biāo)記特點(diǎn)材料適應(yīng)性廣無機(jī)械應(yīng)力和刀具磨損材料消耗很小熱損傷和變形小精密加工可透過透光物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)加工條形碼、數(shù)字、圖形、圖案等線寬可小于12um永久標(biāo)記不易假冒加工效率高加工成本低激光標(biāo)記方法掩模式標(biāo)記法如同底片在相紙上曝光印制相片的原理，底片相當(dāng)與掩模簡單、高效、需用掩模、激光遮擋點(diǎn)陣式標(biāo)記法聚焦后的光點(diǎn)形成線掃描標(biāo)記法計(jì)算機(jī)控制振鏡掃描，較為常用激光標(biāo)記激光器CO2激光器TEA (Transversely Excited Atmospheric) CO2：掩模打標(biāo)射頻激勵(lì)CO2：振鏡掃描打標(biāo)Nd:YAG激光器最為常用，一般作掃描打標(biāo)準(zhǔn)分子激光器ArF(193nm) KrF(248nm) XeCl(308nm) XeF(351nm)，冷加工激光標(biāo)記實(shí)例Anodized AluminumLabelsGlassICsCe