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1、材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精品课程精品课程 第四章第四章 （4.4-4.5） 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 School of Material Science and Technology ， HUST 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 4.4 4.4 激光焊接设备激光焊接设备 激光焊(Laser Welding)是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的 一种高效精密的焊接方法。因而激光焊在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工 等行业得到了
2、日益广泛的应用，特别是随着航空航天、微电子、医疗及核 工业等行业的新材料及特殊结构的出现，更显出激光焊的优越性和重要作 用。 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 4.4.1 4.4.1 激光焊原理及分类激光焊原理及分类 1.激光焊接的原理 激光焊接时，激光照射到被焊材料的表面，与其发生作用，一部 分被反射，一部分进入材料内部。激光在金属表面0.010.1m的厚 度中被吸收转变成热能，导致金属表面温度升高，再传向金属内部。
3、如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。 激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调 振动，使光子的幅射能变成了电子的动能。经过一定过程再转化为热 能。同时，光子在轰击金属表面时还伴随着产生强烈的金属蒸气，而 可减少激光能量的反射。 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 （2）激光焊分类 激光焊通常按激光对工件的作用方式以及作用在工件上功率密度进 行分类。按照激光发生器工作性质的不同，激光有固体、半导
4、体、液体、 气体激光之分。根据激光对工件的作用方式和激光器输出能量的不同， 激光焊可分为连续激光焊和脉冲激光焊。按激光聚焦后光斑作用在工件 上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊（功率密度小于105W/cm3）和 深熔焊（锁孔焊）。 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 4.4.1 4.4.1 激光焊原理及分类激光焊原理及分类 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 表4-7 焊接用激光器的特点 激光器激光器 波长波长 / / m m 工作方工作方 式式 重复频重复
5、频 率率/Hz/Hz 输出功率或能输出功率或能 量范围量范围 主要用途主要用途 红宝石激光器红宝石激光器 0.6940.694 3 3 脉冲脉冲 0101 1100J1100J 点焊、打孔点焊、打孔 钕玻璃激光器钕玻璃激光器 1.061.06 脉冲脉冲 01/1001/10 1100J1100J 点焊、打孔点焊、打孔 YAGYAG激光器激光器 1.061.06 脉冲脉冲/ / 连续连续 04000400 1100J/1100J/ 02kW02kW 点焊、打孔点焊、打孔 焊接、切割、焊接、切割、 表面处理表面处理 封闭式封闭式COCO2 2激光激光 器器 10.610.6 连续连续 - - 01
6、kW01kW 焊接、切割、焊接、切割、 表面处理表面处理 横流式横流式COCO2 2激光激光 器器 10.610.6 连续连续 - - 025kW025kW 焊接、表面处焊接、表面处 理理 快速轴流式快速轴流式COCO2 2 激光器激光器 10.610.6 连续连续/ / 脉冲脉冲 0500005000 06kW06kW 焊接、切割焊接、切割 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激
7、光焊接机 固体激光器中最常用的是红宝石、钕玻璃（即掺Nd3+玻璃）和掺钕 钇铝石榴石（Nd3+：Y3Al5O12,简称Nd：YAG）。 固体激光焊接机主要包括固体激光器、导光装置和数控工作台等 部分组成。 （1）Nd：YAG激光器 激光器由Nd：YAG棒、聚光器、泵灯（脉冲氙灯）和电源等部分 组成，如图4-69所示。 （2）导光装置 导光装置也可称为光学系统,它包括激光束的传播、聚焦系统和观察系 统。如图4-70所示 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及
8、自动化 精精 品品 课课 程程 图4-69 Nd：YAG激光器结构原理图 1-全反射镜 2-Nd：YAG棒 3-聚光器 4-部分反射镜 5-激光 6-泵灯 7-触发电路 8-贮能电容 9-高压充电电源 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 图4-70 Nd：YAG激光器的光路系统示意图 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及
9、自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 激光束的传播、聚焦系统负责把激光传输到焊件上，同时起到光束变 换作用。这个系统由反射镜、透射镜和光纤等光学元件组成。 1）反射镜 反射镜有普通反射镜和聚焦反射镜二种。前者的镜面 （辐射面）一般为平面，起变换激光传输路线的作用；后者的镜面一般为 凹面，常见的是球面和抛物面，起聚焦和换向作用。 2）透射镜 透射镜多为聚焦透射镜。有时在平面透射镜的表面镀功 能膜，制成复合透射镜，以调整光的透射率（谐振腔的激光输出窗口）。 聚
10、焦透镜和平面反射镜组合成平面镜透镜聚焦系统是激光焊接的 常用光路（见图4-70中所示）。 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 3）光束光纤传输系统 目前可用石英光纤来传输的激光波长是 1.06m，它的传输损耗小，YAG固体激光器输出的激光波长正好是 1.06m。将光纤引入到固体激光器的激光束的传输系统中来有以下好 处： 导光系统柔性大 被焊工件可以放置在远离激光器的地方
11、。 4）观察系统 观察系统的作用是观察加工工件的配合状况，使激光束准确地对准 被加工部位，监视激光加工过程和成形质量。特别是在激光微型焊接机 的光路系统中，因为激光聚焦光斑都在零点几毫米范围内，故观察对准 系统可采用数十倍的显微放大系统、屏幕显示系统或闭路电视系统。 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 （3）工作台 激光焊接机的工作台就是承载被焊接工件的，并与激光束作相
12、对运动， 其运动轨迹有直线、矩形、圆形和任意复杂形。 实现激光束与工件作相对运动的方法有很多。常用的方法是激光束不动， 用数控或微机控制工作台运动。运动有二维、三维和五维等，先进的工作台 已经达到六轴联动。当工件较重时，也采用工件不动，激光束运动的方式。 这时光束的运动是通过反射镜、透镜或聚焦镜等光学部件的运动来实现的， 如反射镜沿极坐标运动。 4.4.2 4.4.2 固体激光焊接机固体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品
13、课课 程程 气体激光焊接机主要指的是CO2激光焊接机，它同样由激光器、导光装 置和数控工作台等部分组成。 （1）CO2激光器 在实用的激光器中，唯一能够连续输出高功率的是CO2激光器，它是目 前工业应用中数量最大、最广泛的一种激光器。因其输出功率大、电光转换 效率高（1025%）,结构牢固可靠，操作维修方便和对工作环境要求不高等 优点而受到用户的欢迎。根据加工对象和加工目的不同，CO2激光器的输出 功率范围可以从几十瓦到几万瓦，输出激光模式可以在多模、低价模到基模 之间选择。通常所说的高功率CO2激光器，是指多模，其功率大于1000W；低 价模（或基模），其功率大于500W。为了提高CO2激光
14、器的输出功率和稳定 性，除工作物质CO2外，还加入了不同含量的辅助气体N2和He，通常最佳气压 比为CO2:N2:He=1:7:20,实际成为混合气体。 4.4.2 4.4.2 气体激光焊接机气体激光焊接机 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 4.4.34.4.3气体激光焊接机气体激光焊接机 气体激光焊接机主要指的是CO2激光焊接机，它同样由激光器、导光 装置和数控工作台等部分组成。 （1）CO2激光器 根据气体流动方向、
15、放电方向和光轴方向的相互位置不同，高功率CO2 激光器在结构上可分为横向流动CO2激光器和纵向流动CO2激光器两大类。 横向流动CO2激光器采用三轴正交结构，即气流方向、放电方向与光轴方向 三者相互垂直；纵向流动CO2激光器采用三轴同轴结构，即三个方向一致。 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备及自动化材料成形装备及自动化 精精 品品 课课 程程 1）纵向流动CO2激光器 .折叠封离式纵向CO2激光器 在中、小功率的CO2激光器中，通常采用折叠式纵向CO2激光器，如图4-71
16、 所示。工作气体不流动且密封在放电管内，通过管壁来冷却气体，其输 出功率与管长成比例增加，而与放电管直径关系不大。为了提高激光输 出功率，且使激光器结构紧凑，大功率CO2激光器的放电管采用折叠式结 构。 4.4.34.4.3气体激光焊接机气体激光焊接机 .纵向流动式CO2激光器 输出功率近千瓦到几千瓦的纵向CO2激光器，一般都是纵向流动式的连 续CO2激光器，如图4-72所示。它改封离式中工作气体不流动变为流动 的。其基本结构可分为5个部分：自动气体混合控制器；双层管壁结构 的特殊玻璃振荡管，管内流动着混合气体，管外为冷却水或冷却油的循 环系统；激光谐振腔；电源电流控制装置；真空泵冷却装置。 第四章第四章 金属连接成形设备及自动化金属连接成形设备及自动化 华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学材料科学与工程学院 EAMPEAMP 材料成形装备
