先進(jìn)激光加工技術(shù)(上)

一、引言1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生，隨后各種激光器層出不窮，如氣體、液體、固體、化學(xué)、準(zhǔn)分子、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等。激光器應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)：焊接、切割、打孔、表面處理、合金化、熔覆修復(fù)、快速原型制造、金屬零件直接成形（3D打?。?、打標(biāo)等—應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、機(jī)械、冶金、鐵路、船舶等工業(yè)領(lǐng)域。

農(nóng)業(yè)：育種等。

醫(yī)學(xué)：激光眼科、微外科手術(shù)、激光美容、口腔。

軍事：激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光通信、強(qiáng)激光武器（人眼致盲、光電探測(cè)器失效，摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星）、激光模擬訓(xùn)練。

科學(xué)研究等許多方面?！豆鈾C(jī)電月刊》，《工業(yè)激光解決方案》第一頁(yè)，共49頁(yè)。德國(guó)、美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了世界激光產(chǎn)業(yè)最高發(fā)展水平。激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃美國(guó)：激光核聚變計(jì)劃；德國(guó)：光學(xué)促進(jìn)計(jì)劃；國(guó)家級(jí)激光中心9個(gè)英國(guó)：阿維爾計(jì)劃；日本：激光研究5年計(jì)劃。中國(guó)“十二五”規(guī)劃中增加：高能束與特種能場(chǎng)制造科學(xué)第二頁(yè)，共49頁(yè)。二、工業(yè)用激光器固體激光器（Nd:YAG激光器）氣體激光器（CO2激光器）液體激光器化學(xué)激光器準(zhǔn)分子激光器（KrF激光器）半導(dǎo)體激光器光纖激光器超快激光器（皮秒、飛秒、阿秒激光）第三頁(yè)，共49頁(yè)。功率密度對(duì)靶材的影響：103～104W/cm2，加熱104～106W/cm2，熔融106～108W/cm2，氣化108～1010W/cm2，等離子體靶激光束燒蝕蒸汽三、激光與材料相互作用過程激光加工：熱加工，冷加工第四頁(yè)，共49頁(yè)。激光與材料的相互作用過程十分復(fù)雜：靶材的多樣化，作用激光參數(shù)的多樣化，作用條件的多樣化。高功率激光與材料相互作用問題遠(yuǎn)沒有解決，原因是：一是研究對(duì)象本身的復(fù)雜性和多樣性二是激光器本身的快速發(fā)展帶來的新的問題三是一些基本問題的觀點(diǎn)、模型以及適應(yīng)范圍等仍沒有得到清楚地解釋和驗(yàn)證。相互作用機(jī)理研究尚待深入第五頁(yè)，共49頁(yè)。激光的吸收激光入射到材料表面時(shí)：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）對(duì)于不透明材料：1=ρR+αA光強(qiáng)傳播：I=I0e-Ax，（A為材料的吸收系數(shù)）穿透深度：DT=1/A，（光強(qiáng)降至I0/e時(shí)）第六頁(yè)，共49頁(yè)。吸收系數(shù)：與材料和激光波長(zhǎng)有關(guān)材料的復(fù)數(shù)折射率：n=n1+in2激光垂直入射時(shí)吸收比：吸收系數(shù)：第七頁(yè)，共49頁(yè)。金屬對(duì)激光的吸收與波長(zhǎng)、材料特性、溫度、表面情況（有無(wú)涂層）及激光的偏振特性有關(guān)。一般情況下吸收比隨波長(zhǎng)增加減小，隨溫度升高增大。非金屬對(duì)激光的吸收：絕緣體和半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征決定了它對(duì)激光波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選擇性。第八頁(yè)，共49頁(yè)。激光對(duì)材料的加熱激光照射區(qū)域沿法線方向的溫度剃度為：式中，αA為靶材表面對(duì)激光的吸收比；Ps為作用于靶材表面的激光功率密度；λt為材料熱導(dǎo)率。具體計(jì)算分析時(shí)做如下簡(jiǎn)化假設(shè)：被加熱的材料是均勻且各向同性的物質(zhì)。材料的光學(xué)特性和熱力學(xué)參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)。忽略傳熱過程中的輻射和對(duì)流，只考慮材料內(nèi)熱傳導(dǎo)。第九頁(yè)，共49頁(yè)。求解方法求解激光加熱問題的數(shù)值解最有效也是最重要的方法是：有限差分法。它能有效地處理各種復(fù)雜邊界條件和非線性問題，能得到較準(zhǔn)確地?cái)?shù)值解。其實(shí)質(zhì)是：將微分方程中未知函數(shù)的導(dǎo)數(shù)用溫度場(chǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的有限差分值的近似關(guān)系來代替，進(jìn)而得到有限差分方程的解。這樣就將有限差分方程的求解歸結(jié)于簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算。第十頁(yè)，共49頁(yè)。激光熔融現(xiàn)象當(dāng)激光致使材料表面的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，前一章討論的激光加熱與熱傳導(dǎo)方程的解將不再成立。原因：材料熔化要吸收熔化潛熱；材料的熱導(dǎo)率在熔化前后將成倍的變化。對(duì)半無(wú)限大物體，當(dāng)表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)Tm時(shí)，等溫面（熔化波前）T=Tm將以一定的速度向材料內(nèi)部傳播，傳播速度取決于激光功率密度和材料的固相、液相的熱力學(xué)參數(shù)。等溫面?zhèn)鞑サ淖畲缶嚯x稱為最大熔化深度。第十一頁(yè)，共49頁(yè)。對(duì)于大多數(shù)金屬，熔化波前的穿透深度可簡(jiǎn)單表示為：Pso為光斑中心的功率密度；Lt為材料的熔化潛熱；tn激光照射表面至開始熔化時(shí)間；tb材料表面加熱到Tb所需時(shí)間；αA為材料表面對(duì)激光的吸收比；Tn為熔化溫度；λt為熱導(dǎo)率；Tb近似為氣化溫度合理調(diào)整激光功率密度和脈寬可得到最大融化深度第十二頁(yè)，共49頁(yè)。靶材的氣化模型高強(qiáng)度激光脈沖照射金屬靶材表面分為以下幾個(gè)階段：首先，靶表面達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)，形成熔融層，然后溫度繼續(xù)上升直到蒸發(fā)開始。一部分吸收的激光能量變?yōu)檎舭l(fā)的潛熱、氣化質(zhì)量的動(dòng)能和噴濺蒸氣的熱量，其余部分傳給靶材。最后，在強(qiáng)度不是很高的情況下，噴濺蒸氣不能形成強(qiáng)吸收，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。v為靶面蒸發(fā)速度；Ln，Lv為熔化潛熱和蒸發(fā)潛熱；c(Tc-To)為溫度從熔點(diǎn)升至沸點(diǎn)靶面吸收熱量；Tc表示穩(wěn)定表面溫度；Ps＝αAPso；vm為質(zhì)量變化率；p(Ts)為蒸氣壓力。第十三頁(yè)，共49頁(yè)。氣化時(shí)間的估計(jì)假設(shè)氣化過程中，所有材料在液相和固相時(shí)性質(zhì)相同，且不隨溫度變化，則氣化厚度為d0的金屬所需時(shí)間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，所需氣化時(shí)間越短。氣化時(shí)間比熔化時(shí)間高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，主要原因是沸點(diǎn)比熔點(diǎn)高很多，且氣化潛熱比熔融潛熱大一個(gè)數(shù)量級(jí)。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。舉例：鋁材料在氣壓0.1MPa時(shí)，Tv=2767K,Lv=10770J/g,d0=5mm,ρR=0.8:當(dāng)：Pso=104W/cm2,t=8s;Pso=105W/cm2,t=0.8s;Pso=107W/cm2,t=0.008s=8ms在激光加熱直至氣化過程中有兩個(gè)非常重要的物理量：一是激光與靶材的熱耦合系數(shù)：表示激光能量中被轉(zhuǎn)化為靶的熱能的部分。對(duì)于不透明材料，忽略靶蒸氣動(dòng)能，近似為（1－ρR）。發(fā)射比ρR與靶面狀況（溫度、相態(tài)等）有關(guān)。另一個(gè)重要的物理量是質(zhì)量遷移率Δm/E：表示在能量為E的激光作用下靶材因氣化而損失的質(zhì)量Δm。與激光功率密度分布、脈沖結(jié)構(gòu)、光斑大小及靶材本身的特性有關(guān)。第十五頁(yè)，共49頁(yè)。激光等離子體屏蔽現(xiàn)象激光作用于靶表面，引起蒸發(fā)，蒸氣繼續(xù)吸收激光能量，使溫度升高，最后在靶表面上產(chǎn)生高溫高密度的等離子體。等離子體向外迅速膨脹，在膨脹過程中等離子體繼續(xù)吸收入射激光。等離子體阻止了激光到達(dá)靶面，切斷了激光與靶的能量耦合。這種效應(yīng)叫做等離子體屏蔽效應(yīng)。相互作用的物質(zhì)分為三部分：靶，激光，等離子體。描述等離子體屏蔽程度用等離子體屏蔽系數(shù)：定義為等離子體吸收的能量與入射激光能量之比。靶激光束等離子體第十六頁(yè)，共49頁(yè)。等離子體屏蔽機(jī)制蒸氣等離子體吸收入射激光能量的機(jī)制是逆韌致輻射吸收。對(duì)于鋁靶，其逆韌致輻射吸收系數(shù)為Ks，入射激光通過蒸氣的透射比為ρT，等離子體屏蔽系數(shù)為Ks為吸收系數(shù)，與波長(zhǎng)的平方成正比，說明長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的等離子體屏蔽效應(yīng)比短波長(zhǎng)激光要強(qiáng)烈一些，出現(xiàn)時(shí)間更早。第十七頁(yè)，共49頁(yè)。對(duì)于功率密度為Pso的入射激光，穿透長(zhǎng)度為l的蒸氣等離子體區(qū)域，透射激光功率密度為P，則有dθ為光學(xué)厚度，表征激光穿過蒸氣等離子體被吸收的情況。把蒸氣等離子體看做均勻時(shí)只要測(cè)出Pso、Ps和等離子體線度l，就可以得到光學(xué)厚度dθ，吸收系數(shù)Ks和等離子體屏蔽系數(shù)。第十八頁(yè)，共49頁(yè)。四、激光加工典型應(yīng)用

激光宏觀制造激光微細(xì)加工激光增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）第十九頁(yè)，共49頁(yè)。交通領(lǐng)域中的應(yīng)用第二十頁(yè)，共49頁(yè)。（汽車制造）第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。AudiA2焊接Laser

welds第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。汽車焊接件第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。（航空領(lǐng)域）1.激光焊接

高強(qiáng)鋁合金激光焊接已應(yīng)用于空客A380，機(jī)身減重18%，成本下降21.4%-24.3%2.激光分離

航空發(fā)動(dòng)機(jī)打孔及激光切割，渦輪葉片的激光打孔3.激光成形（直接熔覆制造及修復(fù)）

美國(guó)已應(yīng)用于：殲擊機(jī)F/A-18E/F，F(xiàn)-22,JSF,無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)X-45A，黑鷹直升機(jī)T700（修復(fù)費(fèi)用500美元，傳統(tǒng)11萬(wàn)美元）4.激光表面處理

表面強(qiáng)化處理第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。機(jī)身面板A318—A380第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。焊接設(shè)備第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。表層支撐架鏈接技術(shù)第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。復(fù)合焊接Nd:YAG-MIGWeldingheadHybridweldseam第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。鋁合復(fù)合焊接：金高速、低變形第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。激光焊接技術(shù)薄板熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)厚板深熔焊接焊接技術(shù)第三十頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276脈沖激光焊接實(shí)驗(yàn)超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方案制定NiCrMoFeWMnSiSPCCoVBal.16.015.75.63.30.50.030.000.010.0040.10.01HastelloyC-276化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)研究單脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率、焊接速度等參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，分析焊縫成形機(jī)制以及焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)制，提出基于焊縫形貌控制的精密焊接方法。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲激光焊接對(duì)焊縫形貌的影響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單脈沖能量焊接速度頻率脈沖寬度第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲激光焊接對(duì)焊縫形貌的影響脈沖寬度對(duì)焊縫形貌的影響離焦量對(duì)焊縫形貌的影響+1mm離焦量第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊縫形貌形成機(jī)制分析?

焊縫形貌特征分析波浪條紋熔化邊界周期性半圓脈沖間斷作用無(wú)波浪條紋無(wú)周期性厚度方向能量擴(kuò)散以及激光束遠(yuǎn)離焊縫上表面焊縫下表面基材組織焊縫組織以等軸晶為主晶粒細(xì)化，無(wú)明顯熱影響區(qū)第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。?平整焊縫成形機(jī)制分析激光焊接熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力1）浮力效應(yīng)（BuoyancyForce）2）瑪爾戈尼效應(yīng)（MarangoniEffect）激光焊接過程溫度分布規(guī)律1）極短的作用時(shí)間毫秒量級(jí)2）脈沖占空比合理的加熱冷卻循環(huán)瞬時(shí)線能量密度決定了焊接過程熱輸入量的大小脈沖激光加熱冷卻過程的交替，不僅保證了焊接過程的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，也避免極高溫度的出現(xiàn)。

焊接過程中浮力效應(yīng)導(dǎo)致焊縫中心隆起，兩側(cè)略有下降；而瑪爾戈尼效應(yīng)導(dǎo)致焊縫中心處凹陷。在兩種“矛盾”機(jī)制的相互作用下，形成了最終平整的焊縫表面。?

窄焊縫成形機(jī)制分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊縫形貌形成機(jī)制分析第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。?

宏觀焊縫缺陷分析X射線探傷結(jié)果（樣品尺寸：50×80mm2，焊縫長(zhǎng)度40mm）

探傷結(jié)果說明脈沖激光焊接技術(shù)可以應(yīng)用于超薄HastelloyC-276屏蔽套的焊接成形加工，焊縫形貌平整，而且可以得到無(wú)宏觀缺陷的焊縫。

目前針對(duì)焊縫的無(wú)損探傷方法主要包括射線探傷，超聲探傷，渦流探傷，磁粉探傷以及滲透探傷。本檢測(cè)采用X射線探傷方法。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊縫形貌形成機(jī)制分析?

微觀焊縫缺陷分析

為確保準(zhǔn)確衡量焊縫微觀缺陷特征，采用逐層拋光法對(duì)X射線無(wú)損探傷的40mm焊縫開展微細(xì)缺陷檢測(cè)，每層去除厚度10μm

在逐層拋光檢測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)明顯的微孔特征，因此說明該焊縫不存在大于10μm尺度的微觀缺陷。同時(shí)，也從側(cè)面說明X射線探傷結(jié)果的可靠性。第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究焊縫組織微觀結(jié)構(gòu)分析▲焊縫微觀組織特征▲焊縫組織元素分布特征▲焊縫相結(jié)構(gòu)特征▲焊縫顯微硬度分析第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊縫微觀組織特征焊縫區(qū)域分為三個(gè)部分：中心熔化區(qū)（CFZ）、過渡熔化區(qū)（TFZ）和邊緣熔化區(qū)（EFZ）CFZ和TFZ區(qū)CFZ區(qū)域放大

EFZ區(qū)域穿線生長(zhǎng)特征細(xì)小等軸晶為主細(xì)小等軸晶和部分柱狀枝晶以平面晶和胞狀晶為主焊縫處晶粒形態(tài)與基材晶粒的差別，是否是元素偏析導(dǎo)致的結(jié)果？第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。?

元素宏觀分布特征▲焊縫組織元素分布特征超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究電子探針元素宏觀分布特征結(jié)果：（a）掃描路徑

；（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分布焊縫處5大主要元素未出現(xiàn)宏觀偏析現(xiàn)象（a）第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。?

元素微觀分布特征典型次晶界特征亞晶界（SolidificationSubgrainBoundary）

存在偏析現(xiàn)象Brody-FlemingsModel

▲焊縫組織元素分布特征超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究焊縫區(qū)域背散射照片Mo元素分布規(guī)律第四十頁(yè)，共49頁(yè)。?

元素微觀分布特征-EDS能譜分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊縫組織元素分布特征第四十一頁(yè)，共49頁(yè)?！缚p顯微硬度分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究焊接材料焊縫處微觀硬度并未受到激光焊接過程的明顯影響主要和焊縫處晶粒細(xì)化所引起的材料強(qiáng)化和脈沖激光焊接過程劇烈的冷卻過程相當(dāng)于材料經(jīng)歷淬火過程，兩者的作用效果與基材所經(jīng)歷的固溶強(qiáng)化作用相似。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。焊接接頭力學(xué)性能分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊接接頭常溫力學(xué)性能▲焊接接頭高溫力學(xué)性能第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。?常溫拉伸試驗(yàn)>焊接樣品均在焊縫處斷裂>焊接樣品屈服極限未變，抗拉極限降為基材的88%力學(xué)性能屈服極限/Mpa（0.2%）抗拉強(qiáng)度/Mpa標(biāo)稱性能≥283≥690基材實(shí)際性能391857焊接樣品393759▲焊接接頭常溫力學(xué)性能分析超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。拉伸樣品：(a)200℃,(b)300℃and(c)400℃

?斷口位置隨機(jī)分布于焊縫或基材處.

?基材發(fā)生塑性失穩(wěn).?焊縫斷口處，斷裂變形均勻.超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊接接頭高溫力學(xué)性能分析?

高溫拉伸試驗(yàn)第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。?

在同一溫度下，焊接接頭和基材的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和延展率無(wú)明顯差別

?

焊縫斷口的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)于基材并未降低

?

相對(duì)于200℃和300℃，

在400℃時(shí),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所降低，

延展率有所升高。

焊接接頭力學(xué)性能在核主泵溫度條件下與基材一致超薄HastelloyC-276激光精密焊接技術(shù)研究▲焊接接頭高溫力學(xué)性能分析?

高溫拉伸試驗(yàn)第四十六頁(yè)，共49頁(yè)。力學(xué)性能屈服極限/Mpa（0.2%）抗拉強(qiáng)度/Mpa延伸率/%母材（室溫）≥283（391）≥690（857）≥45（58）母材（200℃）≥270≥690≥45母材（300℃）≥