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1、激光的特性 （1）高方向性 激光发散角小，接近平行光，可用于定位、导向和测距等。 （2）亮度高(光强) 聚焦后光斑上的功率密度达1015W/cm2或更高，其亮度比太 阳光要亮100亿倍，可以进行材料加工或医疗外科手术。 （3）高单色性 其单色性比一般光高108-109倍以上，可把激光波长作为长度 的标准进行精密测量，或把其周期用作时间测量标准，应 用于激光通讯等。 （4）高相干性 单色性越好相干长度越长，可用于较长工件的高精度测量与 校验。 激光在加工领域的应用 材料加工由手工加工 火焰加工 电加工，而激 光加工的出现正促使光加工时代转变，被誉为“未来制造 业的共同加工手段”。 激光加工代表着
2、当前材料加工业的发展方向。世界各国都 把激光加工技术作为提高生产效率、降低成本、提高产品 质量以及具有国际竞争力的重要手段，将带来良好的经济 效益和社会效益。 激光束能量密度高，加工速度快，工件变形小、热影响区 小，后续加工量小；它可以对多种金属、非金属加工，特 别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点材料。 激光加工主要工业领域激光加工主要工业领域 汽车车 电子与电器 钢铁 机械 其他 航空与航天 船舶 建筑 6.2激光焊 6.2.1激光焊原理、特点及其应用 一、激光焊及其应用 激光焊是利用高能量密度的激光束轰击焊 件所产生的热量进行焊接的一种高精密熔 焊方法。 激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、
3、轻 工等行业得到日益广泛应用。 二、激光焊的原理 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属 表面，通过激光与金属的相互作用，金属 吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结 晶实现焊接。 按激光器输出能量方式不同，激光焊接分 为脉冲激光焊和连续激光焊；而据激光聚 焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分 为传热焊和深熔焊。 (1) 传热焊 采用的激光光斑功率功率密度小于105W/mm2时，激光将 金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面 将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温度升高而熔 化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区 逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半 球形。
4、这种焊接机理称为传热焊。传热焊的主要特点是激 光光斑的功率密度小，大部分光被金属表面所反射，光的 吸收率较低，焊接熔深浅，焊接速度慢。主要用于厚度小 于1mm件的焊接加工。 (2) 深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时(106W/mm2)，在激光的 照射下，金属表面温度在极短的时间内(10-810-6s)升高 到沸点，使金属熔化和汽化。金属蒸汽迅速逸出对熔化的 液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷， 同时向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周，形成 小孔。 当光束能量所产生的金属蒸汽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，形成一个深度稳 定的孔而进行焊接
5、，因此称之为激光深熔焊。 三、激光焊的工艺特点 激光焊的优点： （1）焊接速度快、能量密度高、灵活性大。深宽比 可达5：1，最高可达10：1。 （2）可在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装 置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移 ；在各种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或 对光束透明的材料进行焊接。 （3）焊接难熔材料并能实现异种金属的焊接，也可 用于非金属材料的焊接，如钛、石英等。 （4）可以借助偏转棱镜或通过光导纤维引导到难以 接近的部位进行焊接。 （5）可进行微型焊接。激光束经聚焦后能精确定位 ，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的 组焊中。 （6）大多数情况下激光焊接不需要填
6、充材料，消除 了焊接材料产生的污染，降低了有益合金元素的 烧损。 激光焊的缺点 （1）设备复杂、投资大、功率较小，可焊接的 厚度受到一定的限制。 （2）激光器及用于激光束传导和聚焦的附属系 统成本和操作成本高。 （3）焊接中有大量反射。 性 能激光焊电阻焊电子束焊钨极氩弧焊 产生热量 低中等至高中等高 焊缝质 量 优良优优 焊接速度 中等中等高高 原始成本 中等低高低 操作维修费用 低低中等低 夹具费用 低高高中等 可控性 极好差好好 自动化实现 程度 极好好好好 可焊异种材料范围 极宽窄宽窄 激光焊与其它焊接工艺的比较 2 激光焊接的重要参数 （1）功率密度 功率密度是激光加工中最重要的参数
7、之一。采用较 高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加 热至沸点，产生大量气化。因此高功率密度对材 料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较 低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒 ，在表层气化前，底层达到熔点，易形成良好的 熔融焊接。 （2）激光脉冲波形 当高强度激光未射至材料表面，金属表面将会有 6098%的激光能量反射而损失掉，尤其对于薄 片焊接。 （3）激光脉冲宽度（略） （4）离焦量对焊接质量的影响 激光焊接通常需要一定的离焦量，焦点处光斑中 心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦 点的各平面上，功率密度分布相对均匀。 3 激光焊接的设定条件 激光焊接的设定条件包括下面两
8、点： (1)激光功率：是使树脂熔化的热源。 (2)扫描速度：是激光束的移动速度。 同时，就材料而言，下面两点也很重要： (3)透射性材料的光线透射率 (4)透射性材料的厚度 思考题 1 简述激光焊的基本原理。 2 激光焊接有哪些优缺点。 高压充电电源 触发电路 激光 出光镜全反光镜 工作物质谐振腔 脉冲氙灯 激光器结构示意图 4 1 2 3 21 （a）透射式聚焦 （b）反射式聚焦 光束偏转及聚焦系统 1-激光束 2-平面反射镜 3-透镜 4-球面反射镜 6.5 激光焊接工艺 6.5.1接头设计 普通熔焊时使用的大多数焊接接头的几何形状都适合于激光焊 接。最常用的是对接、搭接和卷边。 1 全焊
9、透型对接接头 待焊材料边缘不需开坡口，剪切边如是直角且平行可直接用。 2 焊透的或焊缝的搭接接头 待焊零件间的间隙严格限制着焊透深度和焊接速率。 3 卷边接头 卷边接头与对接接头基本相同。平直的直角边、良好的配合 、压紧和准确的横向平直度都是必要的，对收缩率大的材料 （如铝）更是如此。 6.5.2 激光焊接工艺 激光焊接是将光能转换为热能的过程，因此光和 热两方面的性能在激光焊接时都要考虑，如光的 吸收、能量密度、热容量、熔点、沸点及金属表 面状况等。 （1）焊接时激光的能量范围 为避免焊点金属的蒸发和烧穿，必须控制能量密 度，保证整个焊接过程中能量密度高于熔点而低 于沸点。 （2）材料对激光
10、的反射率 金属对激光的吸收主要与激光的波长，材料的性质、温度 、表面状况和激光功率密度有关。大部分金属对10.6m 的光反射强烈，而对1.06m的光反射较弱，结果使同样 功率的YAG激光器比CO2激光器具有较大的熔深。大多数 金属在激光开始照射时，能将大部分能量反射回去，室温 时材料对激光能的吸收率仅为20%以下，温度提高时吸收 率急剧提高，同时吸收率随电阻率的增大而增加；功率密 度大于某个极限值时，吸收率也急剧提高，所以焊接开始 瞬间需要较大的功率密度。材料表面状态主要指材料表面 有无氧化膜、表面粗糙度及有无涂层。 （3）激光功率密度 激光功率密度高，金属容易气化形成小孔 ，激光的吸收率可以
11、提高到90%以上。但 功率太高，容易使焊缝区形成气孔缺陷。 1 脉冲激光焊 低功率脉冲激光焊主要用于0.5mm以下的金属丝与丝或薄 膜之间的点焊，最细可焊0.02mm0.2m细丝。主要应 用于集成电路内引线硅片上1.8m铝镀膜与 50m100m铝箔焊接，薄膜电路元件导线微晶玻璃 上0.3m铜、铬、金镀膜与30m金、铜、镍丝的焊接等 。脉冲焊过程中应注意如下几点： （1）恰当选用激光脉冲能量（几几十焦耳）和宽度（3mm 左右）； （2）反射率低、传热好、厚度小的金属件放在上面； （3）焊接前可将丝或膜端熔成球状，以增大接触面和便于 对准； （4）对于箔可用连续点焊增加缝宽。 不锈钢焊接 不锈钢在各个参数一般都可以焊接，如果 材料间隙过大，焊接较难。最好效果为保 证不锈钢材料间隙尽量小，焊接容易。使 用扩束镜后在原聚焦镜下可以得到更细焊 缝。
