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1、华中科技大学 硕士学位论文 实现焦点偏心回转激光焊接的研究 姓名：夏丹青 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：陈培锋 20070608 I 摘 要 激光焊接由于其焊接速度快、焊缝深度大、材料变形小、设备简单、焊接难熔材 料、可控性高等优势广泛运用于现代工业的各类加工中。激光焊接中，激光束通过聚 焦头聚焦到工件表面。良好的激光聚焦特性是获得高质量焊缝的关键。 由于激光光斑直径很小，热作用区域小，传统焊接时激光光束必须同时照射到接 口两侧的母材，因而要求接口间隙小于光斑直径，且接口两侧的母材应平整，否则容 易产生焊接错位。因此对新型激光头的研制并改进激光的聚焦特性，对于推进激光焊 接技
2、术的广泛应用和冶金制造业的发展具有重要意义。 为解决这一问题，本文在深入了解激光深熔焊原理和工艺的基础上，分析了影响 激光焊接质量的各种因素，对国外在改进激光聚焦特性方面的研究进行了系统深入的 调研，分析了震动焦点、双焦点、旋转焦点等新型焊接技术的优点，并在对光束的传 输特性及离轴抛面反射镜对焦点特性的影响进行一定研究的基础上，自行进行了光路 设计和机械设计，研制了焦点偏心回转的激光头，并提出了两套实施方案。 在该激光头中，安装了通保护气流的喷嘴，提高对焊缝的保护效果并防止金属飞 溅和金属蒸气污染透镜或抛物镜面。同时，该保护气流喷嘴喷出的气流还能对等离子 体进行有效控制，减少等离子体对激光功率
3、的吸收和折射，提高激光功率的使用效率。 关键词关键词：激光焊接 焊接头 偏心旋转焦点 II Abstract With its advantage that the high speed, the great depth, the little transform of workpiece, equipments is simple, can weld the hard-melt material, easy to control etc. the laser welding is widely used in modern industry of every variety process.
4、 In the laser welding, laser beam was focused on surface of the workpiece through laser head. Well-focused laser beam was the key to get high quality welding seam. Because of the quite small diameter of focus, the focus tends to deviate from the seam during welding, which lead to mismatch on welds.
5、However, the conventional laser head was used only for fixation-spot focusing. In this case, the study on new type focus head and improvement on the focusing characteristics of laser are of great significance for promoting the wider use of laser welding and development of metallurgy manufacturing in
6、dustry. In order to resolve this problem, based on the techniques and principle of laser welding, some factors that affect the welding quality were analyzed. Investigation and survey on focusing characteristics of laser at home and abroad had been viewed. The characteristics of Abaxial-Gyral-Focus w
7、elding technique had been demonstrated. Through optical design and mechanical design, a focusing head with rotary focuses had been developed. And devise tow types of scheme. By using the focus head, different radii of the abaxial rotary focuses can be obtained. To prevent the splashing and metal vap
8、or pollution on lens or paraboloid mirror, a gas protection device had been added in the focusing head. At the same time, they can effectively control the plasma to diminish the absorption and refraction of laser power on plasma and increase the efficiency of the laser power. Key words: laser weldin
9、g focusing head Abaxial-Gyral-Focus 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以
10、将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 激光焊接技术的发展现状 激光焊接技术是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70 年代主要用于焊 接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热 量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等 参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一
11、种高质量、高精度、低变 形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率 CO2和高功率的 YAG 激光器以及光纤传输 技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车 工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。 1.1.1 激光焊接技术的国内发展现状 我国的科学工作者在激光焊接领域做了很多卓有成效的工作，使这一技术在工程 中应用中取得了一定的进展。 由江西理工大学和江西轻工业机械厂合作完成的食品罐身焊接成套设备及工艺的 研究，取得了很好的经济效益。华中理工大学和上海五州特种电机厂合作研制了焊接 专用电机定子和转子的设备及工艺，在 1990 年通过验证。华中理工
12、 大学开展了大功 率激光器的研制，和上海光机所合作，现在开发出的 C02激光器的最大输出功率已经达 到 20kW，中科院长春光机所采用 C02激光焊接双金属锯条，该锯条齿部为高速钢，背 部为弹簧钢，焊后经高温回火，焊缝的剪切强度达到 600Mpa，完全可以达到电子束焊 接的质量。华中科技大学和武汉钢铁公司进行了激光拼焊生产宽车用镀锌板的工艺研 究，取得了成功并在中国二汽得到了应用，创造了显著的经济效益。清华大学对于激 光焊接过程中焊接模式的转变，等离子体的产生机制及解决办法，激光焊接质量的在 线控制和激光送丝焊接实现技术等方面进行了一系列的研究并取得了丰富的科研成果 1。 华中科技大学激光研究
13、院的唐霞辉等人对于激光焊接过程中等离子体的产生机制及 控制技术，高功率激光的传输，厚钢板的激光焊接技术等进行了研究，并对熔池形状 和小孔的形成机理进行理论分析和模拟 2。 北京工业大学的左铁钏等人对于等离子体的 2 产生机制和控制，焊接不稳定的监测和控制，填丝激光焊接工艺等进行了研究。北京 有色金属研究院的王家淳等人对于钦合金的激光焊接技术进行了研究 3。 天津大学， 哈 尔滨工业大学和哈尔滨焊接研究所等科研机构在复合激光焊接技术方面进行了一系列 的研究 4。 北京航空航天大学为克服单热源激光焊接不能有效克服焊缝难对中， 焊后有 气孔和切口，以及长焊缝的变形大等缺点，提出一种双焦点的激光焊接方
14、式。 目前在国内，清华大学和华中科技大学己经有成熟的焊接激光头投入应用，但是 产品技术含量都还不太高，跟国外主流厂家的产品水平相比有较大的差距。这些产品 基本大都是采用透射式聚焦方式，只有极少数采用反射镜聚焦的，而且通常激光器功 率都不太大。而且核心部件，如反射镜，聚焦镜(包括凸透境和球面、抛物面反射镜) 等都是进口，可以说，目前国内还没有掌握高端焊接激光头的研制和生产技术。 1.1.2 激光焊接技术的国外发展现状 展望全世界，各大工业发达国家都十分重视激光焊接技术的发展，制定了一系列 的发展计划：如美国的“战略防御倡议” 、 “激光核聚变计划” 、英国的“阿维尔计 划” 、欧洲的“尤里卡计划
15、” 、德国的“激光 2000”和日本的“激光研究五年计划” 等 5。在发达国家，激光焊接的应用己很普遍。世界著名的汽车公司都采用激光焊接车 身。应用激光焊接技术，每生产一辆车身可节约 100 美元 6。美国福特汽车公司采用 6KW 激光加工系统，将一些冲压板材拼接成汽车底盘，整个系统由计算机控制，可以有 5 个自由度的运动， 特别适合于新车型的研制。 另外该公司还用带有视觉系统的激光焊 机，将 6 根轴与锻压出来的齿轮焊接在一起，成为轿车自动变速器齿轮架部件，生产 速度为 200 件/小时。意大利菲亚特(Fiat)公司用激光焊焊接汽车同步齿轮，费用只比 老设备高 1 倍，而生产率却提高了 5-
16、7 倍。日本川崎公司从 1986 年开始应用 10KW 的 C02激光，焊接 8mm 厚的不锈钢板，与传统焊接方法相比，接头反复弯曲次数增加 2 倍。 英国 CMB 公司用激光焊罐头盒纵缝，每秒可焊 10 条，每条焊缝长 120mm，并且可对焊 接质量进行实时监测。 另外， 国外在激光的组合齿轮焊接中也取得了很大的经济效益 5。 可是，一般的激光焊接都是光束聚焦点固定不变的，由于焦点直径比较小，熔宽 比较窄，容易产生焦点偏离焊缝，焊接过程不稳定等缺陷。另外，在大功率激光焊接 的场合，激光焦点处的高功率密度导致产生等离子体，随着等离子体密度的增加，激 3 光能量会被严重吸收、散射、反射，大大降低激光束对焊件的穿透能力和效率。因而 克服激光等离子体的阻碍作用，提高大功率激光焊的穿透能力和能量利用率是国内外 焊接工作者大力研究的
