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1、Laser Materials Processing-WCM第三章第三章 激光焊接激光焊接激光与材料的相互作用激光焊接机理激光焊接工艺专题：激光焊接的典型工业应用 激光焊接过程在线监测 激光复合焊接技术Laser Materials Processing-WCM3.1 3.1 激光与材料的相互作用激光与材料的相互作用1 概述v热加工:激光被加工材料吸收,并转化为热能v不同的功率密度,材料表面引起不同变化:温度升高、熔化、气化、形成小孔和等离子体v材料表面的状态和变化有极大的影响对激光的吸收材料在激光作用下的不同状态Laser Materials Processing-WCM反射率、熔透深度与激
2、光功率密度的关系反射率、熔透深度与激光功率密度的关系反射率、熔透深度与激光功率密度的关系反射率、熔透深度与激光功率密度的关系Laser Materials Processing-WCM二、激光与材料作用的一般规律二、激光与材料作用的一般规律二、激光与材料作用的一般规律二、激光与材料作用的一般规律激光的穿透深度(光强降至初始光强的1/e) 吸收率 A=1-R朗伯定律:指数规律衰减 I(x)=I0(1-R)e-x :吸收系数, 金属:107108m-1 H=1/ =0.010.1umI0xLaser Materials Processing-WCM作用过程作用过程本质:反射、透射和吸收本质上是光波
3、电磁场与与材料相互作用的结果反射和透射：带点粒子随电矢量步调振动形成振荡电偶极子辐射出相干次电磁波，形成反射和透射吸收：某些粒子获得过量能量(自由电子和束缚电子)时间和空间上的均布能量在各质点间均布(大量的碰撞和中间状态)光热转换时间极短：109sLaser Materials Processing-WCM金属对激光的吸收金属对激光的吸收大量的自由电子，强烈的次波强烈的反射和微弱的吸收穿透深度10nm（0.25um10.6um）与吸收相关的因素波长、材料性质、温度、表面状况、偏振等Laser Materials Processing-WCM波长波长可见光及附近区域：不同材料的反射率呈现较为复杂
4、的变化，0.41.0um，A较高红外：A与1/2成正比大部分金属对10.6um的激光强烈反射对1.06um段的激光反射较弱Laser Materials Processing-WCM材料的性质材料的性质导电性越好，反射率越高性越好，反射率越高(红外区外区) RAgRCuRAlRNiRFe红外区域激光只能与自由外区域激光只能与自由电子耦合，自由子耦合，自由电子密度子密度越大，自由越大，自由电子受迫振子受迫振动产生的反射波越生的反射波越强强Laser Materials Processing-WCM室温下各种金属在几种特定激光波长下的吸收率室温下各种金属在几种特定激光波长下的吸收率Laser Ma
5、terials Processing-WCM温度温度不同波段，吸收率与温度呈现不同的变化趋势2um时：Laser Materials Processing-WCM表面装况表面装况有无氧化膜氧化膜越厚，A越高粗糙度表面粗糙度高，吸收率高涂层加上高吸收率涂层（机械和化学方法）Laser Materials Processing-WCM3.2 3.2 激光激光焊接机理接机理一、传热焊(熔化焊)条件：功率密度小（105w/cm2），金属表面未形成气化，横流、多阶模过程：表面光热表面温度升高并熔化通过热传导扩大熔化区特点：熔深浅、轮廓近似球形激光大部分被反射、吸收小薄小零件的焊接焊接速度慢Laser M
6、aterials Processing-WCM典型热传导焊缝典型热传导焊缝典型热传导焊缝典型热传导焊缝(Al)(Al)(Al)(Al)Laser Materials Processing-WCM二二 激光深熔焊激光深熔焊条件：功率密度足够大(106w/cm2)过程：表面光热极短时间内熔化汽化(10-810-6)金属蒸汽逸出形成反压凹坑吸收进一步加强蒸汽压进一步增强，进一步加深加宽小凹坑力平衡后形成稳定小孔小孔的移动形成焊缝金属蒸汽等离子体和小孔的形成Laser Materials Processing-WCMLaser welding movieLaser Materials Processi
7、ng-WCMLaser Materials Processing-WCM深熔焊深熔焊Laser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCM具有小孔效应的深熔焊具有小孔效应的深熔焊Laser Materials Processing-WCM激光深熔焊典型焊缝激光深熔焊典型焊缝Laser Materials Processing-WCM激光深熔焊典型焊缝Laser Materials Processing-WCM1 1 深熔焊的特点深熔焊的特点Laser Materials Processing-WCMAdvantages Adva
8、ntages Deep narrow welds(高深宽比)-limited by laser power(15mm,10kw)Low heat input-低线能量Low thermal distortionMetallurgical damage (severe grain growth & HAZ reduced)Weld can be made very close to heat sensitive partsHigh production rates (10 times or more of arc welding)-高效率High process flexibility-良好的过
9、程灵活性Several workstations can time share one laserBe suited to automation or in conjunction with robotsSome positions cannot reached by usual methodsComponent design opportunities enhanced-增强产品设计能力A wide range of joint configurations and dissimilar thicknessA wide range of materials can be weldedPost
10、 weld machining are often unnecessary Laser Materials Processing-WCMDisadvantagesDisadvantagesDisadvantagesDisadvantagesClose fitting and well clamped joints are required(间隙要求高)Accurate beam/joint alignment is necessary（对中）High costly CNC required（昂贵数控系统）Total equipment and operating costs are high（
11、设备和运行成本高）Laser Materials Processing-WCM2 2 小孔中的平衡小孔中的平衡小孔的形成小孔中力的平衡：反冲压力重力表面张力液体流动阻力液体金属的流动：温度梯度造成表面张力的改变（表面张力随温度升高而降低），前沿流向后沿Laser Materials Processing-WCMKeyhole observationKeyhole observationMovie1：Keyhole&Pool 304Ar 正上方观测Movie2：Keyhole and Plasma, CO2 laserMovie3: KHDinYAGPMW304Movie4: Cross Sec
12、tion of weld shapeLaser Materials Processing-WCM小孔的作用小孔的作用激光通过小孔直接深入材料内部壁聚焦效应小孔运动形成焊缝小孔的尺寸决定焊缝形貌小孔的稳定性直接决定熔池与焊接过程的稳定性Laser Materials Processing-WCM3 3 激光致等离子体激光致等离子体等离子体的形成过程 等离子体：第四态，自由电子、带电粒子、中性原子形成过程：金属加热气化、金属蒸汽少量自由电子通过逆韧致辐射吸收激光被加速高速电子与蒸汽分子碰撞电子雪崩式增加，形成等离子体一般为金属蒸汽的等离子体，而非辅助气体Laser Materials Proces
13、sing-WCMPlasma VideoPlasma VideoLaser Materials Processing-WCMPlasma VideoPlasma VideoLaser Materials Processing-WCM等离子体行为：吸收、散射、改变焦点位置、等离子体行为：吸收、散射、改变焦点位置、等离子体行为：吸收、散射、改变焦点位置、等离子体行为：吸收、散射、改变焦点位置、二次加热二次加热二次加热二次加热吸收：通过逆韧致辐射吸收激光CO2与YAG不同之处Laser Materials Processing-WCM散射散射1)The evaporated metal vapour
14、 condenses and ultra-fine particles (UFP) are formed in the periphery of plume, 2) The average size of UFP is about several ten nano-meter at 1 Bar.3) The UFP scatters the incident laser beam by Rayleigh scattering, and considerable amount of beam energy is dissipated in and around the plume. 4)The
15、scattering loss is inverse proportional to 4th power of wavelength. Namely, the scattering loss becomes more eminent in shorter wavelength.Laser Materials Processing-WCM散焦：改变聚焦位置和大小散焦：改变聚焦位置和大小散焦：改变聚焦位置和大小散焦：改变聚焦位置和大小Laser Materials Processing-WCM二次加热的几种渠道二次加热的几种渠道二次加热的几种渠道二次加热的几种渠道等离子体与工件接触的热传导辐射出易
16、为金属吸收的短波长光波材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于金属表面，甚至小孔内部Laser Materials Processing-WCM散射：散射：R透过等离子体：透过等离子体：I1(I-R)exp(-h)等离子体吸收：等离子体吸收：II1-R等离子体传入工件：等离子体传入工件：(I-R-I1) II1hRLaser Materials Processing-WCM4 4 净化效应净化效应效果:焊缝中有害杂质元素和夹杂物减少原因:非金属和加杂对激光的吸收率远大于金属前提：良好保护Laser Materials Processing-WCM3.3 3.3 激光激光焊接工接工艺和参数和参数脉冲激
17、光焊接连续激光焊接材料的可焊性Laser Materials Processing-WCMLaser Materials Processing-WCMLaser welding headLaser welding headLaser Materials Processing-WCM一一 脉冲激光焊接脉冲激光焊接特点：类似于点焊，热斑点小，微米级焊缝：点焊或点焊搭接应用：精密元件或微电子元件的焊接激光器：红宝石、铷玻璃、YAGLaser Materials Processing-WCM1 1 接头形式接头形式片与片：搭接和对接丝与丝：搭接、对接和角接Laser Materials Process
18、ing-WCM2 2 工艺参数工艺参数脉冲能量：加热量大小脉冲宽度：加热时间长短功率密度：决定焊接本质过程和机理离焦量：工件表面离聚焦光束最小斑点的距离，影响功率密度等Laser Materials Processing-WCM二二 连续激光焊接连续激光焊接1 接头形式及装配要求对接角接T形接头搭接转变接头装配：精度要求，错边、间隙、光斑偏离量、起焊和收尾处、焊前处理Laser Materials Processing-WCM接头形式接头形式Laser Materials Processing-WCM2 2 工艺参数工艺参数激光功率P激光模式TEMmn焊接速度V光斑直径d离焦量大小F保护气体L
19、aser Materials Processing-WCM激光功率激光功率P PP指激光器输出功率焊接熔深(h)随激光功率(P)的增加而增加激光功率P激光功率P熔深h熔深hLaser Materials Processing-WCM焊接速度焊接速度v v一定条件下，降低速度v，线能量提高，焊接熔深增大焊接速度v焊接熔深hLaser Materials Processing-WCM光斑直径光斑直径d d与离焦量与离焦量F Fd：光强下降到中心光强的1/e2时的直径(86.5%)，影响功率密度F：影响d的大小与激光的入射方向F0Laser Materials Processing-WCMLaser
20、 Materials Processing-WCM激光模式对焊缝形貌及熔深的影响Laser Materials Processing-WCM气体保护气体保护作用：保护熔池，抑制等离子体保护气体种类：Ar，He，混合气体气体保护方式同轴顶吹偏轴侧吹拖罩同轴Laser Materials Processing-WCM侧吹惰性气体保护侧吹惰性气体保护Laser Materials Processing-WCM同轴气体保护同轴气体保护1、透镜 2、一级水冷循环 3、横向气帘进气管 4、同轴保护气进气管 5、二级水冷循环Laser Materials Processing-WCM拖罩同轴保护方式拖罩同轴
21、保护方式 Laser Materials Processing-WCM激光焊接的材料适应性很好，几乎所有的激光焊接的材料适应性很好，几乎所有的金属材料都可以利用激光进行焊接金属材料都可以利用激光进行焊接 Laser Materials Processing-WCM不同材料的激光焊接特性不同材料的激光焊接特性材料激光焊接特性钢 低碳钢及低合金高强钢 中、高碳钢 合金钢 硅钢 不锈钢 A不锈钢 F不锈钢 M不锈钢总的来说焊接性好，工艺成熟，应用广泛焊接性良好，焊缝强度、韧性等性能均优焊接性好，过快冷却速度易导致焊缝淬硬及冷裂纹等问题焊接性好，过快冷却速度易导致焊缝淬硬及冷裂纹等问题焊接性好，导热率
22、低，需控制工艺参数防止晶粒过分长大降低塑性焊接性好导热率低、激光吸收率较高，焊接效率较高，焊缝性能与母材相当低碳低铬类型尤其适合激光焊接，但需控制晶粒长大高碳易导致焊缝及HAZ淬硬钛及钛合金焊接性好，激光吸收率高，化学活波性高，易氧化，焊前需要严格清洗以防止气孔，焊接时需严格正、反两面惰性气体保护，并加拖罩铝及铝合金可焊，对激光的高反射率致使实现其焊接需要更高功率密度，容易形成气孔、热裂纹等缺陷，熔池流动性好、焊缝易下塌，成形不好，Mg等元素易蒸发造成强度降低，严格控制工艺参数或填丝仍可获得优良焊缝铜可焊，对激光高反射率，一般仅用于脉冲激光微点焊镍基高温合金焊接性好，但需控制裂纹、气孔、偏析以
23、及焊缝脆等问题铱合金存在热裂纹问题Laser Materials Processing-WCM常见焊接缺陷常见焊接缺陷Laser Materials Processing-WCM常见缺陷气孔常见缺陷气孔两类气孔：冶金气孔H气孔，与弧焊等常规焊接方法类似孔洞激光深熔焊本身小孔失稳密切相关机理仍然不十分清楚Laser Materials Processing-WCM孔洞形成及机理孔洞形成及机理Laser Materials Processing-WCM常见缺陷裂纹常见缺陷裂纹热裂纹和冷裂纹 焊缝完全凝固之前，由于焊缝焊缝完全凝固之前，由于焊缝的冷却凝固过程中在高温阶段的冷却凝固过程中在高温阶段晶间
24、塑性变形能力不足以承受晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量而产当时所发生的塑性应变量而产生的，裂纹较多产生于焊缝中生的，裂纹较多产生于焊缝中心线及热影响区，因而那些具心线及热影响区，因而那些具有宽的结晶温度范围、高的有宽的结晶温度范围、高的C C、S S、P P含量的材料容易产生裂纹，含量的材料容易产生裂纹，如铝合金的激光焊接过程中容如铝合金的激光焊接过程中容易产生此类裂纹易产生此类裂纹 铝合金激光焊接过程中的热裂纹 Laser Materials Processing-WCM常见缺陷裂纹常见缺陷裂纹热裂纹和冷裂纹 对于高对于高C C钢或某些高些钢或某些高些高合金钢而言，冷裂纹高合
25、金钢而言，冷裂纹也是其激光焊接过程中也是其激光焊接过程中容易产生的缺陷。由于容易产生的缺陷。由于激光焊接的冷却速度很激光焊接的冷却速度很快，这类钢材由于含快，这类钢材由于含C C量较高，焊缝中容易得量较高，焊缝中容易得到淬硬组织，较易产生到淬硬组织，较易产生冷裂纹冷裂纹Laser Materials Processing-WCM激光焊接的发展趋势激光焊接的发展趋势激光器件不断改进铝合金等材料激光焊接难题得到解决深宽比更大、更厚、速度更快（见三菱重工）数控系统一维焊缝二维焊缝三维焊缝激光复合焊接技术的发展激光电弧、激光等离子体、激光感应、双光束完整的质量监控焊前、焊中、焊后Laser Materials Processing-WCM 焊前检测拼缝间隙焊前检测拼缝间隙 反馈调整双光斑偏转角反馈调整双光斑偏转角 双光斑激光焊接Laser Materials Processing-WCM激光焊接过程中的实时监控Laser Materials Processing-WCM焊接过程中的实时监控
