激光焊接技术简介

激光焊接技术简介第一章激光的发展历程第二章激光焊接的基本原理第三章激光焊接工艺第四章激光焊接的特性第五章激光焊接的局限性第六章激光焊接的应用主要内容1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在频率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光．第一章激光的发展历程受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（从此人类拥有了激光这一利器。第二章激光焊接的基本原理激光产生的基本理论激光产生的基本理论是受激辐射，它是爱因斯坦在普朗克黑体辐射量子化理论和玻尔的电子运动量子化轨道假设的基础上提出的。1.原子能级和辐射跃迁按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级。当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级成为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1，h为普朗克常数6.626×10-34J·s，v为光的频率，E2和E1分别为高能级和低能级的能量）。第二章激光焊接的基本原理激光产生的基本理论2、自发辐射、受激吸收和受激辐射由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级E2上的原子总是要自发跃迁到低能级E1上去，如果跃迁中发出光子，这个过程称为自发辐射。处于低能级E1上的原子，吸收外来能量后跃迁到E2上，则称之为受激吸收。两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。第二章激光焊接的基本原理激光产生的基本理论2、自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且传播的方向也不一致。因为自发辐射光是由这样许许多多杂乱无章的光子组成的，所以我们通常见到的光，是包含许多种波长成份(即多种颜色)、射向四面八方的杂散光。阳光、灯光、火光等普通光都属于自发辐射光。处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1）的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相同的光子，称为受激辐射。受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生，后者是自发产生；前者跃迁时产生的光子与外来光子在频率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，产生的光子相当于加强了外来光子的，即光放大作用，而后者产生的光子在这些特性上彼此完全不相干。第二章激光焊接的基本原理激光产生的基本理论2、自发辐射、受激吸收和受激辐射光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、16……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光，便是激光。第二章激光焊接的基本原理激光产生的基本理论3、粒子数反转在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子吸收能量跃迁到高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。第二章激光焊接的基本原理激光产生的三要素三要素：激励源，工作介质，谐振腔1.激励源要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得有外力借助工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率的水泵作功才成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈值。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。第二章激光焊接的基本原理2.工作介质在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统，第二章激光焊接的基本原理下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是一个典型的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态级。第二章激光焊接的基本原理外界激发作用将会把粒子从E1抽运到E3，被抽运到E3的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2，因为E3的寿命只有10-9秒，即10亿分之一秒，不允许粒子久留，所以此过程很快。但E2的亚稳态，寿命较长，约为10-3秒，即千分之一秒，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断地被抽运到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2对E1两能级间的粒子数反转。第二章激光焊接的基本原理这个系统便能对诱发光子能量hV=E2—E1的光进行光放大。显然，E2能级好象一个水塔上的蓄水池，能够贮存大量的粒子，只有亚稳态级才具有这种能力，但并不是所有的发光物质都具有亚稳态结构，这就是有些物质可以“激”出激光来，而有些物质却“激”不出来的道理。所以，具备亚稳态能级结构是对产生激光的工作物质的起码要求。第二章激光焊接的基本原理三、谐振腔合适的工作物质有了，实现粒子数反转的激励源有了，这下子该“激”出激光了吧!还不行，因为人们在实验中发现这样虽然可以产生受激辐射，但非常微弱，根本形不成可供人们使用的激光。这很自然的使人们想到了采用放大的办法来解决这个问题，于是出现了光学谐振腔。即利用两个面对面的反射镜，使放大了的光在镜间来回被反射，反复通过镜间的介质不断再放大，即反馈放大。两个反射镜可以是平面，也可以是球面。第二章激光焊接的基本原理其中一个要求是反射率为100％的全反射镜，另一个是部分反射镜。比如，反射率为95％时，5％的光透射出去供人应用，从而构成光学谐振腔。因为其侧面是敞开的，所以，又称作“开放腔”。当把激光介质置于两反射镜之间后，即可构成激光振荡器。当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生受激辐射。第二章激光焊接的基本原理从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积有限，腔侧面又是敞开的，终将逸出腔外。所以，产生激光的作用不大。唯独沿腔轴方向的自发辐射才起作用。每当它碰到镜面时，便被反射沿原路折回，又重新通过介质不断诱发激发态上的粒子产生受激辐射光放大。由于受激辐射光在腔镜间往返运行，介质被反复利用，腔轴方向受激辐射光就越来越强。其中一部分从部分反射镜端射出，这就是激光；第二章激光焊接的基本原理而其余部分留在腔内继续反馈放大以维持不断的向外辐射激光，如图所示。介质内部沿纵轴方向偶然弱小的自发辐射经过振荡和放大，最终形成强大的激光辐射过程就叫激光振荡放大。由于光速极快，所以此过程极短。第二章激光焊接的基本原理第二章激光焊接的基本原理1、亮度高激光是世界上最亮的光。CO2激光的亮度比太阳亮8个数量级，而高功率钕玻璃激光则比太阳亮16个数量级。2、方向性好激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小，接近于理想的平行光3、单色性好激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄几个数量级。第二章激光焊接的基本原理正是由于激光的上述三个特殊优点，人们把它用于焊接之中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达106～1012W/cm2，比寻常的焊接热源高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。第二章激光焊接的基本原理激光器的分类气体激光器：它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等。具有结构简单、造价低、操作方便；工作介质均匀、光束质量好，能长时间稳定连续工作等特点。主要有二氧化碳激光器，氮气激光器等。固体激光器：这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的。主要特点有器件小、坚固、使用方便、输出功率大，脉冲辐射功率较高。主要有红宝石激光器（世界上第一台激光器）、Nd：YAG（掺钕铱铝石榴石）等激光器。半导体激光器：以一定的半导体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。特点是能量转换效率高、质量轻、寿命长、结构简单而且坚固等，波长范围可以从红外到蓝光，功率从毫瓦量级到瓦级都有，易于进行高速电流调制、超小型化、使用寿命才长。激光器按其工作物质主要可以分为以下几种：第二章激光焊接的基本原理激光焊接的原理激光焊接原理是将高功率密度的激光束聚焦后照射到生产工件的金属表面，高强度的激光被金属表面吸收，与工件表面的金属互作用，使之产生热能，工件表面得金属被激光融化后又经历冷却阶段，冷却后焊料与焊件结晶后形成焊接。按照激光焊接机理的不同，把激光焊接分为两种：热传导焊和激光深熔焊。第二章激光焊接的基本原理激光焊接的原理热传导焊的机理：用高功率激光器照射焊接金属表面，照射到表面的激光被反射和吸收，能量发生了转化，光能转化成了热能，大量热能将焊件表面融化，由于金属具有热传导性，它把这些热能传递出去，逐步将焊件融化，最终使两个焊接工件结合在一起。它的特点是焊接熔池表面封闭，不影响其它区域，在焊接过程中激光束并没有穿透整体焊件，只在表面进行焊接，同时焊件的焊缝处不容易被气体侵入。第二章激光焊接的基本原理激光深熔焊的机理：在理论上激光深熔焊前期跟热传导焊类似，也是将大功率密度的激光的能量转化成热能，焊接材料被融化，但是融化到气化程度，则会在焊件表面产生金属蒸汽，在其反作用力的影响下，已经融化的金属液体就会向材料表面的四周排挤，同时就在焊件表面上形成了凹陷，随着照射时间的增加，凹陷继续加深，当停止照射后，被排挤出去的溶液就会又回流到凹陷内，等到溶液冷却后，两个焊件就会很好的焊接到一起了。这种焊接的特点是焊件表面的熔池被穿成了小孔，从而导致小孔不能关闭，进而产生了气孔，但是在一些惰况下这两种焊接机理也可以互相转化。在实际生产实践中，有时并不区别到底是哪种焊接机理。第二章激光焊接的基本原理第三章激光焊接工艺激光器现已广泛用于汽车制造业，例如铝合金车身焊接，激光钎焊，汽车齿轮的激光焊接，发动机阀的堆焊，喷嘴焊接，汽车车身零件的剪裁，线圈零件的激光切割，激光切割液压成型件，激光打孔等。激光焊接在汽车加工过程中对激光功率、焊接速度、光斑直径、离焦量、保护气等参数要求很高。激光功率的高低是决定焊缝熔深的主要因素，在微秒级的时间里，高功率激光就可以使表层加热直至沸点，在工件表面产生大量气化现象。如果是在毫秒级时间内，低功率激光使工件表层温度达到沸点，在工件表层气化前，工件底层的温度就达到了熔点，易形成良好的熔融焊接。第三章激光焊接工艺焊接时激光焦点上的功率密度必须大于106W/cm2,要提高功率密度或者提高激光功率，或者减小光斑直径，但是如果增大激光的功率，就会使熔池的温度很高，焊缝的熔宽增大，同时热影响区域也增大，大大增加了焊料在焊接过程中的飞溅，使工件上的焊接境受到污染。焊接工艺同时受到焊接速度的影响，如果提高焊接速度，则光源的热输入量就会下降，焊件上的熔深深度就会减小，就很难形成深熔小孔，在实际操作中如果熔深达到一定直时，则熔深就不会发生变化了。当激光为脉冲激光时，焊接速度还要受到脉冲频率和熔斑重叠度的影响，要获得更小的光斑，就必须低阶模聚焦，减小激光发散角也可以获得较小的光斑。第三章激光焊接工艺离焦量也影响着焊接工艺，它是加工工件表面距离焦点的距离，当工件表面在焦点以内时，离焦量为负值，当工件表面在焦点以外时，离焦量为正值，加工工件表面光斑的大小程度受到离焦量的影响，热源的激光功率密度分布也受到离焦量的影响，而且离焦量也影响激光光束的入射方向，对焊件的焊缝形状产生影响，焊缝的熔深和焊缝的横截面积都有很大的影响。保护气体的选择也有很重要的作用，激光焊接工艺在传统上采用Ar,N2,He三种保护气，而如果在焊接过程中采用惰性气体保护气，由于惰性气体质量较轻而逸出，生产中不致产成气孔，所以，在加工工件时采用混合气体保护气。保护气的作用是在激光焊接时保护焊缝金属不受有害气体的侵袭，焊接过程中的等离子体得到有效控制。第四章激光焊接的特性激光焊接有很多优点，传统的焊接（电弧焊，电阻焊）的热源就远不如激光焊接。激光焊接质量高，焊接速度快，焊缝深度大，工件表面形变量小，在加工过程中不需要接触工件，就可以直接进行加工。激光焊接不仅能焊接一般材料，对那些熔点高，强度高的合金材料也能焊接。激光光速聚焦后，虽然光束能量密度很高，但是对没有被激光照射的部位不产生影响，对工件的热影响区域较小。不仅能在室温下焊接，而且还能在特殊条件下焊接，有很大的灵活性，可以对非接触区域焊接。激光器与机器人连接，实现自动化控制，自动化程度很高，调节激光束导向和聚焦，变换传播方向，可以对比较复杂的工件进行加工，加工方法更为灵活。第四章激光焊接的特性还可以进行拼焊，将两个或者多个工件进行拼接，也可以拼接不同类型和不同厚度的工件，这样就可以减小工件材料的重量，节约材料。在激光焊接过程中不受磁场的影响，对加工材料是否导电不加以限制，加工时也不需要真空操作。最重要的是在实际生产中可以提高生产效率，提高加工质量，提高经济效益，节约国家能源。第四章激光焊接的特性1、速度快、深度大、变形小，有较小的焊接热影响区，易于实现自动化。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。激光焊接的主要优点：第五章激光焊接的局限性1、实际的焊接生产时会产生裂纹，产生原因是由于焊料材质不同，选择工艺参数时不符合加工标准。2、如果焊接过程中装备的精度不高，则激光光束照射到工件上的位置会有显著的偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。3、激光焊接过程中产生外观上的缺陷，如咬边，内凹和下陷，焊缝高低不平，加强高过高等。4、焊接时会有气孔产生，是由于保护气体和空气的卷入而产生的。5、焊接系统中的激光器及其体部件的经济成本较高，能量转换效率较低，成本过高。6、设备维修和使用期间存在触电危险，因此应注意生产操作安全，避免电击，造成人身伤亡。激光焊接的局限性：第六章激光焊接的应用激光焊接最主要的应用领域是汽车、航空航天、船舶等加工中的焊接制造.以汽车制造为例，激光焊接己实现规模化，并且己出现了相关的自动生产线和焊接机器人。据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50%~70%的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中己成为标准工艺。我国汽车工业界也开始重视这种先进的焊接技术，如率先使用激光焊接技术的上海大众新近上市的多功能轿车的车身上，使用激光焊接技术的总长度达到41米。汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。第六章激光焊接的应用激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。由于很少变形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量可减少50kg左右。而且激光焊接技术能保证焊点连接达到分子层面的接合，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性，同时有效降低了车内噪声。第六章激光焊接的应用激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊己经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，目前己经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。第六章激光焊接的应用飞机制造中，它主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接，以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术，如腹鳍和襟翼的翼盒，结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成，而是应用了先进的钣金成形技术后，采用激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合，不仅产品质量好，生产效率高，而且工艺再现性好，减重效果明显。谢谢！