1、1第四章第四章 激光焊接及切割激光焊接及切割 激光的特征：激光的特征： 具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性性 。（1）激光的高亮度激光的高亮度：固體激光器的亮度可高：固體激光器的亮度可高達達1011Wcm2，比太陽亮，比太陽亮16個數量級。不僅個數量級。不僅如此，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，在如此，具有高亮度的激光束經透鏡聚焦后，在焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫，這就焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。使其可能可加工幾乎所有的材料。 （2）激光的高方向性激光的高方向性：激光的高方向性使其：激光的高方向性使其能

2、在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是激光加工的重要條件。工的重要條件。2（3）激光的單色性好激光的單色性好：由于激光的單色：由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。到焦點上，得到很高的功率密度。（4）激光的高相干性激光的高相干性：只要是兩個頻率：只要是兩個頻率相同、相位差恒定的光就稱之為相干光，相同、相位差恒定的光就稱之為相干光，其光源就叫相干光光源其光源就叫相干光光源3第一節第一節 激光焊產生原理及特點激光

3、焊產生原理及特點分類分類： 激光器輸出能量方式脈沖激光點焊和連續激光焊；根據聚焦后光斑上的功率密度的不同熱傳導焊接和激光深熔焊。定義：定義： 將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。4第一節第一節 激光焊產生原理及特點激光焊產生原理及特點一、激光焊原理一、激光焊原理（1）熔化焊）熔化焊（功率密度105W/cm2）當激光照射在材料表面時，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導的方式繼續向材料深處傳遞，最后將兩焊件熔接在一起。52）小孔焊）小孔焊（功率密度106W/cm2）當功率密

4、度比較大的激光束照射到材料表面時，材料吸收光能轉化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時產生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續照射，凹坑穿入更深，當激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在起。67根據實際的材料性質和焊接需要來選擇兩種焊接機理，通過調節激光的各焊接工藝參數得到不同的焊接機理。區別區別：前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。傳導焊對系統的擾動較小，深熔焊時，小孔的不斷關閉能導致氣孔。聯系聯系：可以在同一焊接過程中相互轉換，由傳導方式向小孔方式的轉變取決于施加于工件的峰值激光能量密度和激光

5、脈沖持續時間。8激光深熔焊接的主要工藝參數 1)激光功率激光功率 存在一個激光能量密度閾值，當工件上的激光存在一個激光能量密度閾值，當工件上的激光功率密度超過閾值（與材料有關），等離子體功率密度超過閾值（與材料有關），等離子體才會產生，這標志著穩定深熔焊的進行。才會產生，這標志著穩定深熔焊的進行。激光功率低于此閾值，工件僅發生表面熔化，激光功率低于此閾值，工件僅發生表面熔化，也即焊接以穩定熱傳導型進行。也即焊接以穩定熱傳導型進行。當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導焊交替進行，成為不穩定焊時，深熔焊和傳導焊交替進行，成為不穩定焊接過程

6、，導致熔深波動很大。接過程，導致熔深波動很大。92)光束焦斑。光束焦斑。 光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經有很多間接對它的測量是一個難題，盡管已經有很多間接測量技術。測量技術。 103)材料吸收值 材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發如吸收率、反射率、熱導率、熔化溫度、蒸發溫度等，其中最重要的是吸收率。溫度等，其中最重要的是吸收率。 114)焊接速度焊

7、接速度 焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深 125)保護氣體保護氣體 激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，當某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護，但對大多數應用場合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。 136)透鏡焦距透鏡焦距 焊接時通常采用聚焦方式會聚激光，一般選用63254mm焦距的透鏡。聚焦光斑大小與焦距成正比，焦距越短，光斑越小。 147）焦點位置）焦點位置 焊接時，為了保持足夠功率密度，焦點位置

8、至關重要。焦點與工件表面相對位置的變化直接影響焊縫寬度與深度。在大多數激光焊接應用場合，通常將焦點的位置設置在工件表面之下大約所需熔深的1/4處。 158)激光束位置激光束位置 對不同的材料進行激光焊接時，激光束位置控制著焊縫的最終質量，特別是對接接頭的情況比搭接結頭的情況對此更為敏感。 169)焊接起始、終止點的激光功率漸升、焊接起始、終止點的激光功率漸升、漸降控制漸降控制 激光深熔焊接時，不管焊縫深淺，小孔現象始終存在。當焊接過程終止、關閉功率開關時，焊縫尾端將出現凹坑。 17激光深熔焊的優點 1) 高的功率密度高的功率密度導致焊接速度快，受熱影響區和變導致焊接速度快，受熱影響區和變形都很

9、小，還可以焊接鈦等難焊的材料。形都很小，還可以焊接鈦等難焊的材料。 2) 因為光束容易傳輸和控制，又不需要經常更換焊槍、因為光束容易傳輸和控制，又不需要經常更換焊槍、噴嘴，又沒有電子束焊接所需的抽真空，顯著減少停噴嘴，又沒有電子束焊接所需的抽真空，顯著減少停機輔助時間，所以有荷系數和生產效率都高。機輔助時間，所以有荷系數和生產效率都高。 3) 由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強度、韌性和由于純化作用和高的冷卻速度，焊縫強度、韌性和綜合性能高。綜合性能高。 4) 由于平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費由于平均熱輸入低，加工精度高，可減少再加工費用；另外，激光焊接運轉費用也較低，從而可降低工

10、用；另外，激光焊接運轉費用也較低，從而可降低工件加工成本。件加工成本。 5) 對光束強度和精細定位能有效控制，容易實現自動對光束強度和精細定位能有效控制，容易實現自動化操作。化操作。 18激光深熔焊的缺點1) 焊接深度有限。焊接深度有限。 2) 工件裝配要求高。工件裝配要求高。 3) 激光系統一次性投資較高激光系統一次性投資較高 19二、激光焊接特點二、激光焊接特點(1) 速度快、深度大、變形小。 (2) 能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。(3) 可焊接難熔材料如

11、鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。(4) 激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5:1，最高可達10:1。 20(5) 可進行微型焊接。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應用于大批量自動化生產的微、小型工件的組焊中。(6) 可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。(7) 激光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件 21激光焊接缺點(1) 焊件位置需非常精確，務必在激光束的聚焦范圍內。(2

12、) 最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠超過19mm的工件生產線上不適合使用激光焊接。(3) 焊接高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等時，焊接性會變差。22(4) 當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅除，以確保焊道的再出現。*(5) 能量轉換效率太低，通常低于10%。(6) 焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。(7) 設備昂貴。23三、激光焊過程中的等離子云三、激光焊過程中的等離子云（1）產生原因）產生原因激光是光波，又是一種電磁波，在加熱金屬時產生兩種現象：一是金屬被激光加熱氣化后，在熔池上方形成高溫金屬氣云，當激光功率密度很大時，高溫金屬蒸氣將在

13、電磁場的作用下發生離解形成等離子體；二是焊接時施加的保護氣，在高功率密度激光的作用下也能離解形成等離子云。因此，等離子云的產生不僅與激光的功率密度有關，而且與被焊金屬的性質及保護氣有關。24（2）等離子云對焊接過程的影響）等離子云對焊接過程的影響激光焊接時產生的等離子云對焊接過程產生不利影響，位于熔池上方的等離子云，對激光的吸收系數很大，它相當于一種屏蔽，吸收部分激光，使金屬表面得到的激光能量減少，焊接熔深減小，焊縫表面增寬，形成“圖釘”狀焊縫，而且焊接過程不穩定。25（3）抑制等離子云的方法）抑制等離子云的方法焊接過程中克服等離子云影響的最常規方法是通過噴嘴對熔池表面噴吹惰性氣體。可以利用氣

14、體的機械吹力驅除等離子云，使其偏離熔池上方。還可以利用較低溫度的氣體降低熔池上方高溫氣體的溫度，抑制產生等離子云的高溫條件。26采用高頻脈沖激光焊，使每個激光脈沖的加熱時間少于等離子云形成的時間采用高速焊或較短波長的激光進行焊接，27四、激光焊接的焊縫形狀四、激光焊接的焊縫形狀焊縫形狀深而窄，即具有較大的熔深熔寬比，在高功率器件焊接時，深寬比可達5：l， 最高可達10：1。 28五、激光焊接焊縫的組織性能五、激光焊接焊縫的組織性能采用大功率激光光束焊接時，因其能量密度極高，被焊工件經受快速加熱和冷卻的熱循環作用，使得焊縫和熱影響區區域極窄，其硬度遠遠高于母材硬度遠遠高于母材，因此，該區域的塑性

15、相對較低塑性相對較低。為了降低接頭區域的硬度，應采取焊接前預熱和焊后回火等相應的工藝措施 29第二節第二節 激光焊設備激光焊設備激光焊接設備主要包括：激光器、光束偏轉及聚焦系統、光束檢測器、激光焊接機（或專用焊機）控制系統組成。30一、激光器一、激光器1、固體激光器 激光工作物質（紅寶石、YAG或釹玻璃棒）聚光器諧振腔(全反鏡和輸出窗口)泵燈、電源及控制設備組成 31固體激光器的工作過程 打開充電開關打開充電開關變壓器升壓整流變壓器升壓整流電容器充電電容器充電達到額定電壓達到額定電壓充電完畢充電完畢放電開關打開放電開關打開氙燈發光氙燈發光照射照射YAG產生激光產生激光諧振腔放大輸出諧振腔放大輸

16、出322、氣體激光器 1)封閉式或半封閉式CO2激光器 2)橫流式CO2激光器u3）快速軸流式）快速軸流式CO2激光器如圖激光器如圖33表4-1 焊接和切割用激光器特點激光器激光器波長波長( ( m)m)工作工作方式方式重復頻率重復頻率(Hz)(Hz)輸出功率或輸出功率或能量范圍能量范圍主要用途主要用途紅寶石激光紅寶石激光器器0.6940.6943 3脈沖脈沖0 01 10 0100J100J點焊、打孔點焊、打孔釹玻璃激光釹玻璃激光器器1.061.06脈沖脈沖0 01/101/100 0100J100J點焊、打孔點焊、打孔YAGYAG激光器激光器( (釔鋁石榴石釔鋁石榴石) )1.061.06

17、脈沖脈沖連續連續0 04004000 0100J100J0 02kW2kW點焊、打孔點焊、打孔焊接、切割、表面焊接、切割、表面處理處理封閉式封閉式C0C02 2激激光器光器10.610.6連續連續0 01kW1kW焊接、切割、表面焊接、切割、表面處理處理橫流式橫流式C0C02 2激激光器光器10.610.6連續連續0 025kW25kW焊接、表面處理等焊接、表面處理等快速軸流式快速軸流式C0C02 2激光器激光器10.610.6連續連續脈沖脈沖0 0500050000 06kW6kW焊接、切割焊接、切割343、激光模式 激光器輸出光束的模式是指光束橫斷面上的能量分布情況。模式與光束的聚焦特性密

18、切相關。模式越低，聚焦后的光點愈小，功率密度即越大。對切割和焊接，要求激光器輸出基模或低階模 35表4-2 CO2氣體激光器和YAG固體激光器比較-波長波長( ( m)m)可輸出可輸出功率功率光束光束質量質量光線光線傳輸傳輸光學部件光學部件運行消耗和維護運行消耗和維護COCO2 2氣體氣體激光器激光器10.610.6大大好好不可不可需用特殊材料需用特殊材料的光學部件的光學部件需要消耗氣體，需要消耗氣體，清理電極麻煩清理電極麻煩YAGYAG固體固體激光器激光器1.061.06小小次之次之可可可用普通光學可用普通光學部件制造部件制造只需必要時更換只需必要時更換泵燈，維護簡單泵燈，維護簡單36二、光

19、束偏轉及聚焦系統二、光束偏轉及聚焦系統37三、光束檢測器三、光束檢測器光束檢測器有兩個作用：一是可隨時監測激光器的輸出功率；二是可以檢測激光束橫斷面上的能量分布，以確定激光器的輸出模式。大多數光束檢測器只有第一個作用，所以又稱為激光功率計 38四、激光焊接機四、激光焊接機 它的作用是實現光束與工件之間的相對運動，完成激光焊接，分焊接專機和通用焊接機兩種。后者常采用數控系統，有直角坐標二維、三維焊接機或關節型激光焊接機器人 39第三節第三節 激光焊應用激光焊應用一、激光焊在電子領域的應用一、激光焊在電子領域的應用40二、激光焊接在汽車行業的應用二、激光焊接在汽車行業的應用汽車工業中，激光技術主要

20、用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設計制造中，根據車身不同的設計和性能要求，選擇不同規格的鋼板，通過激光截剪和拼裝技術完成車身某一部位的制造 41三、激光焊接在粉末冶金領域的應用三、激光焊接在粉末冶金領域的應用如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結合強度低，熱影響區寬特別是不能適應高溫及強度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強度以及耐高溫性能。 42四、激光焊接在塑料行業的應用四、激光焊接在塑料行業的應用激光焊接塑料的基本原理是：兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，激光焊接塑料的基本原理是：兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，激光穿過一個制品，然后被另外

21、一個制品吸收，吸收激光能量的激光穿過一個制品，然后被另外一個制品吸收，吸收激光能量的制品將光能轉化為熱能，在塑料的接觸面熔化，形成一個焊接區。制品將光能轉化為熱能，在塑料的接觸面熔化，形成一個焊接區。 43與傳統的塑料焊接技術相比，激光焊接塑料技術主要有以下幾方面的優點：l1、焊縫精密、牢固和密封性（不透氣和不漏水）能好；2、易于控制，具有良好的適應性；3、極大地減小了制品的振動應力和熱應力；4、能夠將許多種類不同的材料焊接在一起。5、目前市場上的塑料激光焊接機主要采用波長為1064m的半導體激光器作為光源。44五、激光在醫療領域的應用五、激光在醫療領域的應用澳大利亞外科醫生將采用“焊接”方法

22、來取代普通的外科縫合手術，新方法利用激光器使蛋白質熔化，從而將兩處受傷表面粘接在一起。新工藝已順利通過動物試驗，人體臨床試驗也將進行，儀器研制者希望，新儀器能用于受傷神經和四肢的“縫合”。歐文博士認為，新工藝能減少傷疤的形成，同時利用激光“縫合”能明顯縮短手術時間。例如，用普通方法縫合受損的動脈需要45分鐘，而采用激光“縫合”僅需2分鐘。45第四節第四節 激光焊接發展方向激光焊接發展方向一、復合焊接（一、復合焊接（YAG激光激光與脈沖與脈沖MIG復合焊接）復合焊接）發展的原因發展的原因定義定義46激光復合焊接優點：激光復合焊接優點：1)可增加焊接熔深2)提高焊接速度與生產率3)改善接頭性能 4

23、)降低設備成本的同時，通過激光與電弧的相互作用，來改善激光能量的耦合特性和電弧的穩定性，以獲得一種綜合的效果。 47二、光束旋轉激光焊二、光束旋轉激光焊使激光束旋轉進行焊接的方法，也可大大降低焊件裝配以及光束對中的要求例如在2mm厚高強合金鋼板對接時，容許對縫裝配間隙從0.14mm增大到0.25mm；而對4mm厚的板，則從0.23mm增大到0.30mm。光束中心與焊縫中心的對準允許誤差從0.25mm增加至0.5mm。 48三、激光焊接質量在線檢測與控制三、激光焊接質量在線檢測與控制491、等離子體監測傳感器 1) 等離子體光學傳感器（PS）：它的作用是采集等離子體的特征光-紫外光信息。2) 等

24、離子體電荷傳感器（PCS）；利用噴嘴做探針檢測由于等離子體帶電粒子（正離子、電子）的不均勻擴散而在噴嘴和工件之間形成的電位差。502、系統功能、系統功能1) 識別激光焊接過程屬于何種方式。2) 診斷傳輸到焊接區的激光功率是否正常。3) 噴嘴高度自動跟蹤。4) 焦點位置自動尋優和閉環控制。51第五節第五節 激光切割激光切割52一、激光切割原理一、激光切割原理53二、激光切割類型二、激光切割類型1、激光汽化切割利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以

25、激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。542、激光熔化切割激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。553、激光氧氣切割激光氧氣切割原理類似于氧-乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出，在金屬中形成切口。 564、激光劃片與控制斷裂激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描，使材

26、料受熱蒸發出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為O2開關激光器和CO2激光器。 57三、激光切割的特點三、激光切割的特點1、切割質量好1) 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。2) 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。3) 材料經過激光切割后，熱影響區寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，4) 切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現較為規則的長方形，切口細窄，切縫兩邊平行且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達0

27、.05mm。582、切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數控工作臺，整個切割過程可以全部實現數控。操作時，只需改變數控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。切割速度快，用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節省工裝夾具，又節省了上、下料的輔助時間。593、非接觸式切割4、激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。5、可切割材料的種類多606、激光切割的缺點激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割

28、中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。另外，激光切割設備費用高，一次性投資大。61四、激光切割設備和裝置四、激光切割設備和裝置62圖圖4-8 典型典型CO2激光切割設激光切割設備的基本構成備的基本構成1-冷卻水裝置 2-激光氣瓶 3-輔助氣體瓶 4-空氣干燥器 5-數控裝置 6-操作盤7-伺服電動機 8-切割工作臺 9-割炬 10-聚焦透鏡 11-絲桿 12-反射鏡 13-激光束14-反射鏡 15-激光振蕩器 16-激光電源 17-伺服電動機和割炬驅動裝置63激光切割設備各結構的作用如下：激光電源 供給激光振蕩用的高壓電源。激光振蕩器 產生激光的主要設備折射反射鏡 用于將激光導向所需要的方向。為使光束通路不發生故障，所有反射鏡都要用保護罩加以保護。割炬 主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。切割工作平臺 用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進行移動，通常由伺機電機驅動。割炬驅動裝置 用于按照程序驅動割炬沿X軸和Z軸方向運動，由伺服電動機和絲桿等傳動件組成。64數控裝置 對切割平臺和割炬的運動進行控制，同時也控制激光器的輸出功率。操作盤 用于控制