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1、第二单元第二单元 激光焊激光焊2.1 激光焊概述 2.2 激光焊设备与工艺2.3 典型材料的激光焊 2.4 激光安全与防护 综合知识模块 2.1 激光焊概述o激光焊原理及特点 o激光焊的分类 o激光焊的应用 2.1 激光焊概述o激光焊激光焊（Laser Welding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。o与传统焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、适应性强等优点。 激光焊原理及特点o一、激光焊的原理一、激光焊的原理o二、激光焊的特点二、激光焊的特点 激光焊原理及特点o激光激光是指激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性
2、好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0. 01 mm、功率密度高达106l0l2W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。 激光焊原理及特点o激光焊激光焊 实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。o激光焊时，激光照射到被焊接件的表面，与其发生作用，一部分被反射，一部分进入焊件内部。激光焊原理及特点o激光焊的热效应激光焊的热效应 取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。o金属对激光的吸收率，主要与激光波长、金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。激光焊原理及特点
3、o材料的加热材料的加热: 吸收了光子而处于高能级的电子将在与其他电子的碰撞以及与晶格的互相作用中进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改变材料表面及内部温度。激光焊原理及特点o材料的熔化及汽化材料的熔化及汽化: 激光加工时，材料吸收的光能向热能的转换是在极短的时间（约为10-9s）内完成的。在这个时间内，热能仅仅局限于材料的激光辐射区，而后通过热传导，热量由高温区传向低温区。o当功率密度大于106 W/cm2时，被焊材料会产生急剧的蒸发。激光焊原理及特点o在连续激光深熔焊接时，由于蒸发，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成“小孔
4、”。 “小孔”类似于“黑洞”，有助于对光束能量的吸收。o壁聚焦效应壁聚焦效应: 激光束射入小孔中时，由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收，如图所示。激光焊原理及特点o焊缝的形成焊缝的形成: 随着工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的表面张力使“小孔”前沿的熔化金属沿某一角度小孔和熔融金属流动的示意图小孔和熔融金属流动的示意图 得到加速，在“小孔”后面的近表面处形成如图所示的熔流。“小孔”后方液态金属由于散热的结果，温度迅速降低，凝固，形成连续的焊缝。激光焊原理及特点激光焊的优点：激光焊的优点：o聚焦后的激光束功率密
5、度可达105 107Wcm2，加热速度快，热影响区窄，焊接应力和变形小，易于实现深熔焊和高速焊，特别适于精密焊接和微细焊接。激光焊原理及特点o可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成型。 o适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，如难熔金属、热敏感性强的材料以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊的工件间焊接；也可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。 激光焊原理及特点o可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；YAG激光和半导体激光可通过光导纤维传输，可达性好，适合于微型零件和远距离的焊接。o可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可焊接置于
6、玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料。激光焊原理及特点o激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。 激光焊原理及特点激光焊的缺点激光焊的缺点：o激光焊难以焊接反射率较高的金属；o对焊件加工、组装、定位要求相对较高；o设备一次性投资大。 激光焊的分类o按激光对工件的作用方式：脉冲激光焊和连续激光焊。传热焊传热焊：功率密度小于105 W/cm2深熔焊：深熔焊：小孔焊，功率密度大于106 W/cm2a）传热焊）传热焊 b）深熔焊）深熔焊1-等离子云等离子云 2-熔化材料熔化材料 3-小孔小孔 4-熔深熔深激光焊的应用 应用行业 应用实例 航空航天 发动机壳体、机翼隔架、膜盒等 电子仪表
7、集成电路内引线、显像管电子枪、调速管、仪表游丝等机械制造精密弹簧、针式打印机零件、金属薄壁波纹管、热电偶、电液伺服阀等钢铁冶金焊接厚度0.28mm、宽度0.51.8m的硅钢片，非合金钢和不锈钢激光焊的应用 应用行业 应用实例 汽车制造汽车底架、传动装置、齿轮、点火器中轴与拨板组合件等 医疗器械心脏起搏器以及心脏起搏器所用的锂碘电池等 食品加工食品罐（用激光焊代替传统的锡焊或接触高频焊，具有无毒、焊接速度快、节省材料以及接头美观、性能优良等特点）等 其他领域燃气轮器、换热器、干电池锌筒外壳、核反应堆零件等 2.2 激光焊设备与焊接工艺o激光焊设备o激光焊工艺激光焊设备 o激光焊设备激光焊设备主要
8、由激光器、光学系统、光速检测器、焊枪、工作台、电源及控制系统、气源、水源、操作盘、数控装置等组成 。激光焊设备o激光器激光器o激光器中工作物质的形态分有固体、流体固体、流体和气体气体激光器。激光焊设备气体激光器：气体激光器：焊接和切割所用气体激光器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。 CO2激光器的特点：o输出功率范围大。 o能量转换功率大大高于固体激光器。 oCO2激光波长为，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。 激光焊设备CO2激光器的分类：o根据结构形式可将热加工应用的CO2激光器分为以下四种：密闭式、横流式、轴流式和板条式。激光焊设备密闭式密闭式CO
9、2激光器：激光器：其主体结构由玻璃管制成，放电管中充以CO2、N2和He的混合气体，在电极间加上直流高压电，通过混合气体辉光放电，激励CO2 分子产生激光， 从窗口输出。激光焊设备o横流式横流式CO2激光器：激光器：其混合气体通过放电区流动，气体直接与换热器进行热交换，因而冷却效果好，允许输入大的电功率， 每米放电管的输出功率 可达23kW。 激光焊设备o快速轴流式快速轴流式CO2激光器激光器 ：其主要特点是气体的流动方向和放电方向与激光束同轴。气体在放电管中以接近声速的速度流动，速度约为150m/s，每米放电管长度上可输 出5002000W 的激光功率。 激光焊设备o板条式板条式CO2激光器
10、激光器 ：其主要特点是光束质量好，消耗气体少，运行可靠，免维护，运行费用低，目前板条式CO2激光器的输出功率已达3.5 kW。 o光束传输及聚焦系统：光束传输及聚焦系统：光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光束传输并聚焦到工件上。 激光焊设备激光焊设备o光束检测器：光束检测器：主要用于检测激光器的输出功率或输出能量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。 o气源和电源：气源和电源：目前的CO2激光器采用CO2、N2、He（或Ar）混合气体作为工作介质，其体积配比为7:33: 60。He、N2均为辅助气体，混合后的气体可提高输出功率510倍。但He气价格昂贵，选用时应考虑其成本。为了保证
11、激光器稳定运行，一般采用快响应、恒稳性高的电子控制电源。 激光焊设备o工作台和控制系统：工作台和控制系统：伺服电动机驱动的工作台可供安放工件实现激光焊接或切割。激光焊的控制系统多采用数控系统。激光焊设备激光焊设备的选用：激光焊设备的选用：o微型件、精密件的焊接可选用小功率焊机；o点焊可选用脉冲激光焊机，直径以下金属丝与丝、丝与板（或薄膜）之间的点焊，特别是微米级细丝、箔膜的点焊等则应选择小功率脉冲激光焊机。 o连续激光焊机特别是高功率连续激光焊机大多是CO2激光焊机，主要用于形成连续焊缝以及厚板的深熔焊。 激光焊工艺一、激光焊的能源特性一、激光焊的能源特性 o功率密度 o吸收率o离焦量一、激光
12、焊的能源特性一、激光焊的能源特性 o功率密度：功率密度：激光能作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生三种不同加热状态。o功率密度较低时仅对表面产生无熔化的加热，这种状态用于表面热处理或钎焊；o功率密度提高时，可产生热传导型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；o功率密度进一步提高时，则产生熔孔型熔化，用于深熔焊。 o 只须调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。 o调整功率密度的主要方法有：调整功率密度的主要方法有：o调节输入激光器的能量；o调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；o改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；o改变脉冲宽度及前沿的梯度等。 一、激光焊的能源特性
13、一、激光焊的能源特性 o吸收率：吸收率：激光焊接的热效应取决于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。 o金属的吸收率又与温度密切相关。光亮的金属表面对激光有很强的反射作用 。一、激光焊的能源特性一、激光焊的能源特性 o离焦量离焦量 是工件表面离激光焦点的距离。o工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量。反之为正离焦。o离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。 一、激光焊的能源特性一、激光焊的能源特性 二、脉冲激光焊工艺二、脉冲激光焊工艺 o脉冲激光焊时，每个激光脉冲在金属上形成一个焊点。o焊件是由点焊或由点焊搭接成的缝焊方
14、式实现连接。o加热斑点很小，因而主要用于微型、精密元件和一些微电子元件的焊接。 1接头形式接头形式 o脉冲激光焊加热斑点微小（约微米数量级），因而用于薄片（厚度小于）、薄膜（几微米至几十微米）和金属丝（直径可小至）的焊接。o使焊点重合，还可以进行一些零件的封装焊。 脉冲激光焊的接头形式 2脉冲激光焊工艺参数脉冲激光焊工艺参数 （1）脉冲能量和脉冲宽度 o脉冲激光焊时，脉冲能量主要影响金属的熔化量，脉冲宽度则影响熔深。 （2）功率密度Pd o激光焊接时焊点的直径和熔深由热传导所决定 三、连续三、连续CO2激光焊工艺激光焊工艺 o1.接头形式及装配要求接头形式及装配要求 o装配的精度要求很高。在实
15、际应用中，CO2激光焊最常采用的接头形式是对接和搭接。 o（2）焊接速度 o焊接速度影响焊缝的熔深和熔宽。 焊接速度（m/min）0.50.60.750.91.251.52.02连续激光焊的工艺参数连续激光焊的工艺参数 2连续激光焊的工艺参数连续激光焊的工艺参数 o（1） 激光功率o激光功率是指激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。连续工作的低功率激光器可在薄板上以低速产生有限传热焊缝。 o激光功率主要影响熔深。 o（3）光斑直径 o在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。 o减小光斑直径比增加激光功率的效果更明显。 2连续激光焊的工艺参数连续激光焊的工艺参数 （
16、4）离焦量 o离焦量是工件表面至激光焦点的距离，以F 表示。 2连续激光焊的工艺参数连续激光焊的工艺参数 （5）保护气体 o深熔焊时，保护气体有两个作用：o一是保护焊缝金属免受有害气体的侵袭，防止氧化污染；o二是抑制等离 子体的负面效应。 四、激光复合焊四、激光复合焊 o激光复合焊接技术是指将激光与其他焊接方法组合起来的集约式焊接技术，其优点是能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足，从而形成一种高效的热源。 1激光电弧焊激光电弧焊 o激光焊接复合技术中应用较多的是激光-电弧复合焊接技术（也称为电弧辅助激光焊接技术），主要目的是有效地利用电弧能量，在较小的激光功率条件下获得较大的熔深，同时提高激光焊接对接头间隙的适应性，降低激光焊的装配精度，实现高效率、高质量的焊接过程。 激光激光TIG复合焊接示意图复合焊接示意图激光激光MIG复合焊接示意图复合焊接示意图o（1）有效利用激光能量o母材处于固态时对激光的吸收率很低，而熔化后对激光的吸收率可高达50%以上。采用复合焊接方法时，TIG或MIG电弧先将母材熔化，紧接着用激光照射，从而提高母材对激光的吸收率。 o（2）增加熔深o在电弧的作用下
