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激光焊接的工作原理及其主要工艺参数

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数

激光焊接的工作原理

焊接技术主要应用在金属母材热加工上,常用的有电弧焊,电阻焊,钎焊,电子束焊,激光焊等多种,研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。

1. 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法,它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点,比如空间限制,对于精细器件不易操作等,而激光焊接不但不具有上述缺点,而且能进行精确的能量控制,可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属,特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。

激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下,诱导高能态的原子向低能态跃迁,并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接,这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究,从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用,经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点,近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段,越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比,激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题,但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。

2. 激光焊接原理

2.1激光产生的基本原理和方法

光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级,任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态,物质与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2,处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ,并有E2 -E1=hν。

2.1.自发辐射

处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态上的一致,是非相干光。

2.2.受激辐射

除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。

2.3.受激吸收

受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子,在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子,并跃迁至高能级E2,这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的,受激辐射是相干的。

由受激辐射和自发辐射的相干性可知,相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和

可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况:使得腔内某一特定模式的ρ很大,而其他所有模式的都很小,就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度,使相干的受激辐射光子集中在某一特定模式内,而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各种技术措施减少腔内光场的模式数、使介质的受激辐射恒大于受激吸收来提高光子简并度,从而达到产生激光的目的。

产生激光的基本条件:一是能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质;二是要使受激发射光强超过受激吸收,必须实现粒子数反转N2/G2- N1/G1>0;三是要使受激发射光强超过自发发射,必须提高光子简并度。

2.2.激光焊接原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊接,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点[1]。其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,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、功率和频率等参数使工件熔化形成特定的熔池。

激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,能量转换机制是通过小孔完成。在高功率密度激光的照射下,材料蒸发形成小孔,这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光能量,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。在光束照射下的壁体材料连续蒸发产生高温蒸汽,孔壁外液体流动形成的壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持动态平衡。光束不断进入小孔,小孔始终处于流动的稳定状态,围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进而向前移动,熔融金属填充小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。

3.激光焊接的优缺点

激光焊接具有很多优点。激光焊接可以将热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,而且因热传导所导致的变形也很低;不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑;激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当的距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥作用;工件可放置在封闭的空间内,激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型或间隔相近的部件。另外激光焊接可焊材质的种类范围很大,可以相互接合各种异质材料,并且易于以自动化进行高速焊接,也可以数位或电脑控制;用激光焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接容易有回熔的困扰,而且激光焊接不受磁场所影响,能精确地对准焊件。

激光焊接也有一些缺点,主要表现在以下几个方面。一是焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内;二是焊件需使用夹具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准;三是最大可焊厚度受到限制,渗透厚度远超过19mm的工件在生产线上不适合使用激光焊接。四是当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。最后,能量转换效率太低,通常小于10%;焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑,并且设备昂贵。表1对各种焊接工艺进行了比较。

表1 不同焊接工艺的各种性能比较

焊接工艺精度变形热影响焊缝质量焊料

激光焊精密小很小好无

钎焊精糙一般一般一般需要

电阻焊精糙大大一般无

氩弧焊一般大大一般需要

等离子焊较好一般一般一般需要

电子束焊精密小小好无

4.激光焊接的工艺参数

一般而言,激光焊接的工艺参数有功率密度、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、焊接速度和保护气体等,图1是激光焊接的主要工艺参数图。

4.1. 功率密度:功率密度是激光加工中最关键的参数之一。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,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工如打孔、切割、雕刻十分有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。

4.2.激光脉冲波形:当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,尤其是金、银、铜、铝、钛等材料反射强、传热快。一个激光脉冲讯号过程中,金属的反射率随时间而变化。当材料表面温度升高到熔点时,反射率会迅速下降,当表面处于熔化状态时,反射稳定于某一值。

4.3.激光脉冲宽度:脉宽是脉冲激光焊接的重要参数,。脉宽由熔深与热影响分区确定,脉宽越长热影响区越大,熔深随脉宽的1/2 次方增加。但脉冲宽度的增大会降低峰值功率,因此增加脉冲宽度一般用于热传导焊接方式,形成的焊缝尺寸宽而浅,尤其适合薄板和厚板的搭接焊。但是,较低的峰值功率会导致多余的热输入,每种材料都有一个可使熔深达到最大的最佳脉冲宽度[2]。

4.4.离焦量:激光焊接通常需要一定的离焦量,因为激光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。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上的功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状有一定差异。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。

4. 5.焊接速度:焊接速度对熔深有较大的影响,提高速度会使熔深变浅,但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。因此,对一定激光功率和一定厚度的特定材料有一个合适的焊接速度范围,并在其中相应速度值时可获得最大熔深。

3.6.保护气体:激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池,对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护。保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射,在高功率激光焊接时,喷出物非常有力,此时保护透镜则更为必要。保护气体的第三个作用是可以有效驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸气吸收激光束电离成等等离子体,如果等离子体存在过多,激光束在某种程度上会被等离子体消耗掉。

图1 激光焊接的主要工艺参数

5.激光焊接的应用

随着大功率激光器的出现,激光焊接在机械、造船、汽车、航空航天等领域获得日益广泛的应用。激光焊接早已应用在汽车制造业,随着车身防腐蚀和降低车重的要求,铝材料已经广泛应用在发动机、轮圈、仪表板等零部件上。激光焊接在航空制造业的应用也已经非常广泛,飞机机身由众多零部件组成,需要铆钉连接,铆钉技术已经发展到了极限,很难再有所突破,激光焊接成为一种理想的替代技术,采用激光焊接技术还可以使机身的重量减轻15%。近年来,双光束激光焊接正成为激光焊接领域的热门技术,研究发现,采用双光束激光焊接能降低熔池的冷却速率,对含碳量较高的钢材能显著提高焊缝质量,同时,双光束激光焊接的表面熔化蒸气团更为稳定,有利于形成稳定的焊缝质量,减少气孔等缺陷。

在汽车工业中,板材拼焊能生产出面积更大的钢板,而将不同材料和厚度的钢板连接在一起,又可减轻车体重量,减少废料,从而节约原材料。因而拼焊成形已成为汽车制造的重要工艺[3]。激光拼焊具有其他拼焊技术没有的一些优点,比如焊接性能高、压制性能好、喷涂能力好、拼板平整度好。另外激光焊接还可以应用在造船业中,由于激光焊接具有速度

快、熔深大的特点,在造船业中可以大大提高生产率,而且可以单道焊接或减少焊道数。并且船坞焊接工作量大大减少,使船舶的精度制造成为可能。

6.总结

激光焊接具有焊缝深窄、深宽比高、焊接速度快、热输入低、焊缝热影响区窄、焊接变形小、焊缝质量好等优点;采用激光复合焊还可降低间隙要求,可用于各类工业制造。激光焊接不仅工艺简单,而且易于实现计算机控制。由于激光焊接技术的众多优点,预计激光焊接技术将逐步得到广泛应用。

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数(精)

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法,它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点,比如空间限制,对于精细器件不易操作等,而激光焊接不但不具有上述缺点,而且能进行精确的能量控制,可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属,特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下,诱导高能态的原子向低能态跃迁,并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接,这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究,从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用,经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点,近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段,越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比,激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题,但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级,任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态,物质与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2,处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ,并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态上的一致,是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子,在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子,并跃迁至高能级E2,这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的,受激辐射是相干的。 由受激辐射和自发辐射的相干性可知,相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况:使得腔内某一特定模式的ρ很大,而其他所有模式的都很小,就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度,使相干

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数

激光焊接的工作原理及其主要工艺参数摘要:焊接技术主要应用在金属母材热加工上,常用的有电弧焊,电阻焊,钎焊, 电子束焊,激光焊等多种,本文详细介绍了激光焊接的工作原理与工艺参数,还讨论了激光焊接技术在现代工业中的应用,并与其他焊接方法进行对比。研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。 关键词:焊接技术;激光焊接;工作原理;工艺参数。 1. 引言 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法,它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点,比如空间限制,对于精细器件不易操作等,而激光焊接不但不具有上述缺点,而且能进行精确的能量控制,可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属,特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下,诱导高能态的原子向低能态跃迁,并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接,这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究,从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用,经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点,近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段,越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比,激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题,但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级,任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态,物质与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E,频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2,处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ,并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光,不具有相位、偏振态上的一致,是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外,处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=(E2-E1)/h的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,

激光焊接的工艺参数及特性分析讲解

激光焊接的工艺参数及特性分析 一、激光焊接的工艺参数:1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。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,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,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,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在104~106W/cm2。2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接 一、激光焊接的工艺参数: 1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。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,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,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,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在104~106W/cm2。 2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。 3、激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 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,因为激光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。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离做文章一相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,激光加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。 二、激光焊接工艺方法: 1、片与片间的焊接。包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。

激光焊接的未来与前景

激光焊接的未来与前景 激光焊接前景 摘要:焊接是一种将材料永久连接,并成为具有给定功能结构的制造技术。近几年中国完成的一些标志性工程来看,焊接技术发挥了重要作用。但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制,激光焊接便有了很大的发展空间。激光技术涉及材料学、力学、计算机科学等。研发是一个消耗的过程,其投入要求高,资金回收期较长。单靠企业研发,速度很难跟上,于是有一部分压力转移到国家科研机构。所以产业化需要强大的经济实体后盾和政策支持。 关键词:焊接技术关键制造工艺激光焊接产业化 焊接是一种将材料永久连接,并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品,从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件,在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域,直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。中国2005年钢产量达到3.49亿吨,成为世界最大的钢材生产与消费国,而焊接结构的用钢量也突破1.3亿吨,相当于美国一年的钢产量,成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。近几年中国完成的一些标志性工程来看,焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统,包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等,其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m 高5.4m 重440t,为世界最大的铸-焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和13或15个叶片焊接而成,每个转轮的焊接需要用12t焊丝,耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收,标志着中国航天事业的巨大进步,其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构,而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器,直径5.5m 长62m 厚337mm 重2060t,为当今世界最大、最重的锻-焊结构加氢反应器,采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术,每条环焊缝需连续焊接5天。西气东输的管线长4000km,是中国第一条高强钢(X70)大直径长输管线,所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板-焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1212万吨,占世界造船总量的17%,居于日、韩之后,稳居世界第三位,正向年产2500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船,以及为世界瞩目的,被称为“中华第一盾”的170舰,都是中国造船界的骄傲,船体是典型的板-焊结构。另外,上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥;国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶;奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨,也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见,焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出,在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30~60万瓦级循环硫化床(CFB)锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中,焊接制造都是关键制造工艺之一。 但传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制,激光焊接便有了很大的发展空间。

激光焊接工艺参数

激光焊接原理与主要工艺参数 1.激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,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、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光

光器件激光焊接基础

激光焊接技术简介 2017-8-1 激光—全称为受激辐射光放大,它是一种新光源,其所具有的相干性、单色性、方向性与高输出功率等特点,是其它光源所无法比拟的。激光焊接是通过光学系统将激光光束聚集在很小的区域,焦平面上的功率密度可达到10×10w/cm2,在极短的时间内,使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点或焊缝。 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/ cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107W/ cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。 热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,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、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。 激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接原理:一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达25000C左右,热量从这个高

温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工。近年来,几乎所有的电子产品,如电脑、电视机、手机、数码相机以及许多电子元器件等,在生产制造中都不同程度地应用了激光焊接技术。 激光焊接设备 用于光器件封装的激光焊接设备主要有单光束焊接、三光束焊接和四光束焊接三种焊接设备,也有个别公司有用到双光束焊接设备,下面就谈谈这四种焊接的设备。 单光束激光焊机:顾名思义,单光束焊机每次焊接只有一束激光,在没有焊接时激光焊机会有一束红色的指示光束,此指示光束就是焊接时激光的前进路线。基本每台单光束焊机都配有一个显微镜,通过显微镜,可以清晰地观察到红色指示光束光斑聚焦在需要焊接的点上,

激光焊接原理讲解-共12页

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一,又常称为激光焊机、镭射焊机,按其工作方式常可分为激光模具烧焊机(手动焊接机)、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机,光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热,激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散,将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 一、激光焊接的主要特性。 20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属热传导型,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。由于其独特的优点,已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比,激光焊接的主要优点是: 1、速度快、深度大、变形小。 2、能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;激光在真空、空气及某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、可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。 4、激光聚焦后,功率密度高,在高功率器件焊接时,深宽比可达5:1,最高可达10:1。 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精确定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。 6、可焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。尤其是近几年来,在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 7、激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密的焊接提供了条件。 但是,激光焊接也存在着一定的局限性: 1、要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小,焊缝窄,为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求,很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。 二、激光焊接热传导。

激光焊接基本原理讲解-共14页

一、激光基本原理 1、 LASER 是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅的英语开头字母 2、激光产生的原理 激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。 为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。含有钕 (ND的 YAG 结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为 1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。 YAG 晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、激光的主要特长 a 、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光 (波长、频率 b 、方向性――激光传播时基本不向外扩散。 c 、相干性――激光的位相 (波峰和波谷很有规律,相干性好。 d 、高输出功率――用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、 YAG 激光焊接

激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l 、激光焊接加工方法的特征 A 、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。 B 、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。 C 、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工高熔点、高硬度、 特种材料。 D 、不需要填充金属、不需要真空环境 (可在空气中直接进行、不会像电子束那样在空气中产生 X 射线的危险。 E 、与接触焊工艺相比 . 无电极、工具等的磨损消耗。 F 、无加工噪音,对环境无污染。 G 、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。 H 、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I 、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J 、很容易搭载到自动机、机器人装置上。

激光焊接基础知识

米亚奇公司 Nd(钕):YAG激光器激光焊接指南 米亚奇公司2003年版 此处包含的材料,未经米亚奇公司书面同意,严禁复 制或用于任何用途 联系方式: 米亚奇公司 Myrtle大道1820号 蒙罗维亚CA, 91017-7133 Tel.: 626 303 5676 Fax: 626 599 9636 https://www.wendangku.net/doc/5517571138.html,

目录 1.激光基础 1.1 介绍 1.2 激光产生的原理 1.3 Nd:YAG激光的介质 1.4 泵浦源 1.5 谐振器 1.6 激光安全 2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头 2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数 2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦 2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统 2.4.3聚焦镜片 2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例

1.激光基础 1.1介绍 “激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射而放大的光)的缩写,激光器的要素有: Nd:YAG激光器有两种类型,连续波的和脉冲波的,正如它们的名字所指,连续激光的波形要么是开,要么是关,但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接,反之连续激光使用的是平均功率,这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接,并形成了更小的热影响区,脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入,米亚奇的就是脉冲激光焊机。 1.2激光产生的原理 激光本质上是分三步产生的,发生几乎是瞬间的。 1.泵浦源给介质提供能量,将介质内部原子激活,使得带电原子暂时被激发到 高能级,处在此活跃级的带电原子是不稳定的,于是跃迁到低能级,在这个过程中,从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子,这个过程叫做自发辐射,通过这种方式产生的光子是激光的种子。 2.光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子,由于光速极快,处在激 发态的原子的密度很大,所以这个过程是极其短暂的,入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子,这两个光子是相干的,这意味着它们相位相同,波长相同,传播方向相同,这个过程叫做受激辐射。 3.光子传播方向是不定的,然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜, 又通过介质反射回来,共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向,为了使

影响激光焊接的参数

影响激光焊接的参数 对激光焊接的质量产生直接影响的参数包括:激光脉冲的能量、激光束光斑直径、激光脉冲的频率、激光的脉宽、激光的脉冲波形、被焊材料的相对光吸收率、焊接速度、保护气体等。 激光脉冲的能量 是指单个激光脉冲能最大输出的能量,单位是J(焦耳)。这是新华鹏激光器的一个主要参数,它决定了激光器所能产生的最大能量,按照模具修复的用途来说,激光能量在70J以下已经能满足任何场合的需要了,再大的能量也是白费,或根本用不上,而且带来激光电源体积和散热器体积的不断增大,降低了电源的使用效率。 激光光斑聚焦直径 这是反映激光器设计性能的一个极为重要的参数,单位是(mm),它决定了激光的功率密度和加工范围。如果激光器的光学设计合理先进,激光能量集中,聚焦准确,能把激光光斑直径控制在0.2mm-2mm的范围,而能否把激光的聚焦直径控制在0.2mm是对激光发生器的一个严格的考验。国内一般设计的激光器,由于只想降低成本,因此,激光的器件加工简陋,设计并不严谨,激光在谐振腔里发散严重,导致难以准确聚焦,其激光器输出的激光光斑直径根本达不到标称的0.2mm,而只能最小达到0.5mm,而由于激光的发散,令输出的激光束不能呈规则的圆形,这就造成了激光实际照射区域过大,出现烧蚀焊缝的现象,即在焊缝的两端出现不必要的激光照射而令焊缝两端呈现凹陷,这种现象对于修补已经抛光的模具影响尤为严重,有时甚至会令模具报废。同普公司的激光器设计精良,选料严格,精心调试,使其激光器输出的光束光斑直径能进行精密的监控,使聚焦光斑的大小最小能达到0.2mm,并能在0.2mm和2mm的范围里进行无级调节,达到国际的先进水平。 激光脉冲的频率 这是反映激光器在一秒内能打出多少个脉冲的能力,单位是(Hz)。首先需要说明的是,焊接金属是使用激光的的能量,而在激光功率恒定的情况下,频率越高,每个激光输出的能量就越小,因此,我们需要在保证激光的能量足够熔化

激光焊接工艺参数讲解

激光焊接原理与主要工艺参数 作者:opticsky 日期:2006-12-01 字体大小: 小中大 1.激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,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、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关),等离子体才会产生,这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值,工件仅发生表面熔化,也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,深熔焊和传导焊交替进行,

激光焊接工艺实践课程学习指南讲解

《激光焊接工艺实践》课程学习指南 一、课程资源导航 二、学前要求 学习本课程需要有一定的预备基础知识,需要配置一台计算机,对计算机具体要求如下: (一) 必备基础 学习本课程的学习者必须具备一定的基础: 1.会熟练使用计算机,如常用操作系统Windows XP或者Linux,还有常用软件如PowerPoint、Word等; 2.一定的激光加工技术和工程材料学知识。 (二) 软硬件环境 1.硬件环境:

三、学习目标与要求 课程设置是基于光机电应用技术专业职业岗位能力的培养需要,要求学生通过视频课件、动画和现场实训操作等多种学习资源,掌握激光焊接原理、工艺特点和应用领域。通过本课程学习,学生不仅应该掌握激光焊接加工的基础理论,更要培养、锻炼实际动手操作能力,从而使其在掌握专业知识的基础上获得所需要的职业技能。具体要求如下: ?了解激光焊接工艺的过程和机理; ?学习根据材料特点和焊接工艺要求来选择合适的激光焊接设备; ?针对不同激光焊接设备,学会选择合适的激光焊接参数并能够对设备进行调试、维护; ?针对不同激光焊接过程,学会分析影响焊接质量的因素和解决的措施; ?学习激光焊接的安全操作常识和正确的操作规范。 四、学习路径 1.学习模式 在校学生学习方式:课堂学习+操作实训+网络辅助+标准化试题库考试 网络学习方式:教材自学+按课件学习+网上导学+实训实验+标准化试题库考试2.课程知识学习路径 按知识点渐进式学习:先导课程为激光加工原理、工程材料学等。 3.推荐书籍和参考 (1)郑启光,邵丹编著,激光加工工艺与设备,北京:机械工业出版社,2009,10;(2)刘其斌编著,激光加工技术及其应用,北京:冶金工业出版社,2007;(3)蒙大桥,张友寿,何建军等译,材料激光工艺过程,北京:机械工业出版社,2012,9; (4)现代激光焊接技术,陈彦宾,科学出版社,2010,,10; (5)激光焊接与切割质量控制,陈武柱,机械工业出版社,2010。 五、考核标准 学生学习考核标准请参见本课程资源“考核方案”

激光焊接文献综述

文献综述 激光焊接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种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,它已成功地应用于微小型零件焊接中。 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,开辟了激光焊接的新领域。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论,包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等,并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性,焊接现象建模与数值模拟,钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接,激光接头性能评价等方面做了一定的研究。 所有的研究大大地扩大了其应用的领域范围,主要应用于:制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。 激光焊接主要是通过高能激光脉冲来实现的。激光电源首先把脉冲氙灯点着。激光电源对氙灯脉冲放电,形成一定频率,一定脉宽的光波,该光波经过聚光腔辐射到Nd3+ YAG激光晶体上,激发Nd3+YAG激光晶体发光,再经过激光谐振腔谐振之后,发出波长为1.06um脉冲激光,该脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后打在所要焊接的物体上;在计算机系统控制下,移动数控工作台,从而完成焊接。焊接时需要的脉冲激光频率、脉宽、工作台速度、移动方向等通过计算机来控制。通过对机关电源的频率、脉宽的不同设定可调节控制脉冲激光的能量。 这里的脉冲激光焊机主要由激光电源、PC数控系统、光学系统、冷却系统、CCD监视系统及吹起装置等组成。 激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,几乎没有连接间隙,焊接深度/宽度比高,因此焊接质量比传统焊接方法高。但是,如何保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。在激光焊接中,光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一,在一定激光功率和焊接速度下,只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中,为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素,需要专门的夹紧和设备技术,这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。 与其它传统焊接技术相比,激光焊接的主要优点是:

光纤激光焊接成形实验

光纤激光焊接成形实验 一、 实验目的 1. 了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理,特别要掌握激光焊接深熔焊的原理。 2. 了解激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律,利用实验方法获得焦点位置、激光功率和焊接速度对激光焊接焊缝成形的影响规律。 3. 测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。 二、 实验内容 1. 学习并掌握激光深熔焊接的原理,主要包括小孔的形成,等离子体的产生和对焊接过程的影响,以及激光深熔焊焊接的焊缝形成特征。 2. 利用2KW 光纤激光器焊接低碳钢样品,焊后制备焊缝横断面的金相试样,用光学显微镜观察并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点,测试焊缝熔深和焊缝宽度随焦点位置、激光功率和焊接速度的规律变化。 3. 测试焊缝断面面积,得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响。 三、 实验原理简述 激光焊接是利用一种高能量密度的激光束进行材料连接成形的方法。激光焊接系统一般由激光器、光路系统和聚焦系统、工作台组成。 激光焊接可以两种方式进行,一种是基于小孔效应的激光深熔焊,另外一种是基于热传导的激光热导焊。激光深熔焊的主要原理如下:当功率密度高于52510/W cm ?时,激光束照射在材料的表面,材料产生蒸发并形成小孔。深熔焊过程产生的金属蒸汽和保护气体,在激光作用下发生电力,从而在小孔内部和上空形成等离子体,这个充满金属蒸汽和等离子体的小孔就像一个黑体,入射激光进入小孔后经过小孔逼的多重反射吸收后可达到90%以上的激光能量被小孔吸收,小孔周围的金属就是被小孔壁传递的能量所熔化。随着光束的移动,小孔前壁的液态金属材料被连续蒸发,小孔就以一种动态平衡的状态像前移动,包围小孔的熔融金属沿小孔周围向后流动,随后冷却并凝固形成焊缝。激光热导焊的主要原理如下:当功率密度不高于5 2 510/W cm ?时,主要是基于热传导的方式进行焊接,由于通常情况下金属材料对激光的反射率较高,因此这种焊接方法获得的焊缝熔深很小。 四、 实验步骤 1. 准备低碳钢试样100603m m m m m m ??若干块,表面用砂纸打磨去锈,并用丙酮清洗赶紧。并在每块试样上划出焊接位置。 2. 焊前调节A r 的气流量,轴向气体400/L h 。 3. 将工件装卡好,启动数控机床并调整焊接喷嘴的位置,并完成机床的编程。 4. 严格按照操作规程启动激光器。 5. 分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度,并进行激光焊接,得到不同的焊缝,每组分别改变参数5组,保证焊接过程从热导焊变化到深熔焊。焊接过程中仔细观察不同状态下的焊接特点及等离子体的声光特征。

激光焊接原理与主要工艺参数

1.激光焊接原理 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107 W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。 其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,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、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。 2. 激光深熔焊接的主要工艺参数 1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关),等离子体才会产生,这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值,工件仅发生表面熔化,也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,深熔焊和传导焊交替进行,成为不稳定焊接过程,导致熔深波动很大。激光深熔焊时,激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关,且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说,对一定直径的激光束,熔深随着光束功率提高而增加。 2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一,因为它决定功率密度。但对高功率激光来说,对它的测量是一个难题,尽管已经有很多间接测量技术。 光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算,但由于聚焦透镜像差的存在,实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法,即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践,掌握好激光功率大小和光束作用的时间。 3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能,如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等,其中最重要的是吸收率。

详解激光焊接技术

详解激光焊接技术 一、激光基本原理 1、LASER是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)的英语缩写。 2、激光产生的原理 激光——“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向。 含有钕(ND)的YAG结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。YAG晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、滋光的主要特长 a、单色性―激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光(彼长、频率) b、方向性―橄光传播时基本不向外扩散。 c、相千性--徽光的位相(波峰和波谷)很有规律,相干性好。 d、高输出功率一用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、YAG激光焊接 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。

模具机械设备激光焊接基础指南知识

激光焊接基础指南知识 【最新资料,WORD文档,可编辑修改】

目录 1.激光基础 1.1 介绍 1.2 激光产生的原理 1.3 Nd:YAG激光的介质 1.4 泵浦源 1.5 谐振器 1.6 激光安全 2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头 2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数 2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦 2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统 2.4.3聚焦镜片 2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例 1.激光基础

1.1介绍 “激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射而放大的光)的缩写,激光器的要素有: Nd:YAG激光器有两种类型,连续波的和脉冲波的,正如它们的名字所指,连续激光的波形要么是开,要么是关,但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接,反之连续激光使用的是平均功率,这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接,并形成了更小的热影响区,脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入,米亚奇的就是脉冲激光焊机。 1.2激光产生的原理 激光本质上是分三步产生的,发生几乎是瞬间的。 1.泵浦源给介质提供能量,将介质内部原子激活,使得带电原子暂时被激发到高能级,处 在此活跃级的带电原子是不稳定的,于是跃迁到低能级,在这个过程中,从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子,这个过程叫做自发辐射,通过这种方式产生的光子是激光的种子。 2.光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子,由于光速极快,处在激发态的原子 的密度很大,所以这个过程是极其短暂的,入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子,这两个光子是相干的,这意味着它们相位相同,波长相同,传播方向相同,这个过程叫做受激辐射。 3.光子传播方向是不定的,然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜,又通过介 质反射回来,共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向,为了使这个扩大发生,那处在活跃态能级的原子数量必须远大于处在低能级原子的数量,这种大量处在活跃能级的“粒子数反转“是产生激光的必需条件。

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