1、材料先进连接方法讲义 先进激光加工技术2019.12激光焊接Laser Weldingn激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。n激光焊接具有高能量密度、大熔深、低热输入、高效率、高精度等特点。n广泛应用于航空航天、汽车制造、电子轻工等领域。1、激光的产生原理简介自发辐射E1E2受激吸收E2E1光的辐射与吸收受激辐射E1E2hvhvhvhvhv受激辐射和光放大受激辐射可以实现对外来光的同频率、同相位、同偏振的放大。频率、相位、偏振都相同的光束就是激光束。Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiati
2、on意为：通过受激辐射实现的光放大。受激辐射引起的光放大原理Question：系统内原子发生受激辐射后，其能级状态将发生什么变化？粒子集居数翻转 实现持续光放大的基础n平衡态下，一个封闭系统内各能级上的粒子数符合波尔兹曼分布。n光束穿过平衡系统时，受激吸收超过受激辐射，不能实现光放大。n使系统高能态的粒子数大于低能态的粒子数，即成为粒子集居数翻转。此时称系统处于激发态或高能态。实现粒子数翻转的方法n光泵浦n气体辉光放电n电子束激励n气体动力激励n化学反应激励n核泵对激光介质的要求：1、必须有两个以上能级，而且能够被外部能l量激发；2、高能级中必须有压稳态能级存在；3、一定是增益介质。激光的模态
3、与功率分布模态的表示：TEMmnm，n分别表示出现暗线的次数轴对称横模的光斑激光器的分类与构成n按照工作物质的状态可以分为：固体激光器、气体激光器和液体激光器。n激光器的构成：1、激光工作物质；2、激励源；3、谐振腔、4、控制和冷却系统；5、聚光器（固态激光器特有）n焊接用典型激光器：CO2气体激光器、YAG固体激光器。n新型激光器：CO激光器，半导体二极管激光器YAG激光器n平均输出功率：0.3-4kW；n可以连续或脉冲方式工作；n输出波长：1.06um；n便于聚焦、吸收和光纤传输；n激光出光效率低：2-3%；n模式不规则，发散角大；n泵浦灯寿命短；YAG激光器的输出参数输出方式平均功率/k
4、W峰值功率/kW脉冲时间脉冲频率脉冲能量/J连续0.3-4-脉冲4500.2-20ms1-500Hz100Q-开关41001us100kHz0.001YAG激光器一般结构图YAG的激光器结构CO2激光器n输出功率：数毫瓦到几十千瓦；n可以连续或脉冲方式工作；n输出波长：10.6um；n可以在空气中长距离传输衰减小；n激光出光效率高：15-40%；n泵浦灯寿命短；CO2激光器一般结构与工作原理n根据其结构可以分为：n1、封离式或半封离式n2、横流式n3、轴流式在外加直流电源的激励下，放电管中的氮分子首先被激发。受到激发的氮分子再和CO2分子发生碰撞，把自己的能量传递给CO2分子，使其从低能级跃迁
5、到高能级上形成粒子数反转从而发出激光。封离式CO2激光器的结构原理特点：1、结构简单，成本低；2、输出光束质量好；3、无噪声，易操作和维护；4、输出功率小。横流式CO2激光器1.激光束激光束2.切向排风机切向排风机3.气流方向气流方向4.热交换器热交换器5.后镜后镜6.折叠镜折叠镜7.高频电极高频电极8.输出镜输出镜9.输出窗口输出窗口输出功率大，激光模式不好。轴流式CO2激光器体积紧凑，光束质量好，可用于激光焊机器人。激光焊接过程的基本理论n材料对激光的吸收1、激光被照射到材料表面，一部分发生反射，另一部分被材料吸收，转换为热能。2、激光在金属表面x0的距离（吸收距离）中被吸收，转化为电子的
6、动能，再通过热传导传向金属的内部。3、激光波长、材料的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等是影响激光吸收的主要因素。n材料对激光的吸收率A与波长近似存在下列关系：A=-1/2。即随着波长的增加，吸收率增加。n大部分金属对波长为10.6um的CO2激光反射强烈，对1.06um的YAG激光反射较少。n常用金属材料对激光的理论吸收率：碳素钢镍铝铜银。n一般地，材料导电性越好，其对红外激光的反射率也越高，吸收率越低。材料温度越高，吸收率也越高。材料表明状况对吸收率的影响n氧化膜和表面污染对CO2激光的吸收率影响显著。n具有一定粗糙的表面有利于激光的吸收。n在金属表面形成一层涂层是有效提高激光吸收率的
7、手段。激光功率密度对吸收的影响n理论计算的吸收率都是在无汽化相变条件下得出的。当出现汽化现象时，金属对激光的吸收会突变性的增加。n当激光功率密度大于106W/cm2时，钢铁材料表面会汽化，形成等离子体和小孔，吸收率将取决于激光与等离子体的相互作用和小孔效应，会大幅强化对激光的吸收。激光焊接的分类n（1）激光传热焊特点：材料表面被加热到熔化而无沸腾；热传导方式传热；光斑功率密度小于105W/cm2;激光反射强烈；类似于TIG焊，主要用于薄板的焊接。n（2）激光深熔焊特点：材料迅速汽化；形成小孔和金属蒸汽等离子体；形成窄而深的焊缝；等离子体吸热和强制对流换热效应；与电子束焊接过程类似，广泛用于各种
8、焊接结构。激光深熔焊的小孔效应传热焊与深熔焊的对比深熔焊的几个特殊效应n等离子体效应高密度激光作用下金属汽化；电子逆韧致辐射迅速吸收激光能量；电子碰撞金属蒸汽原子致电离；电子雪崩式增加，形成等离子体。激光功率密度过大，会出现激光维持的吸收波及爆发波，会使焊接过程不稳定并阻挡激光向工件的传播，需要避免。n壁聚效应入射到小孔内的激光由于反射作用而重新聚集的现象称为壁聚效应。它可以使激光在小孔内维持高的功率密度，有利于加热工件。n净化效应CO2激光焊接时，焊缝金属有害杂质或夹杂物减少的现象称为激光焊的净化效应。非金属夹杂物更容易吸收激光能力而强烈汽化和上升是净化效应的根源。净化效应可以提供焊接接头的
9、塑性和韧性。激光深熔焊的特点n（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。n（2）小的热输入。因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。n（3）焊缝组织的净化作用和高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。金属的激光焊接性n1、抗热裂纹能力热裂纹敏感性的评价：（1）正在凝固的焊缝所允许的临界变形速率；（2）处于脆性温度区时的单位冷却速度下的临界变形率。与TIG相比，CO2激光焊焊接低合金高强钢时具有更低的热裂纹敏感性，其焊缝组织中形成
10、的细小的等轴晶组织是提高抗热裂能力的主要原因。2、抗冷裂纹能力n冷裂纹的评定指标是：24h内在焊缝中心不产生裂纹所能施加的最大应力。对于低合金高强钢，激光焊接头的抗冷裂纹能力超过TIG。对于10钢，二者的抗冷裂能力相当；对35钢而言，激光焊接头的抗冷裂能力低于TIG。抗冷裂纹能力主要与材料的成分、淬火倾向及结构的拘束程度有关。当形成低碳马氏体时接头具有良好的抗冷裂能力，当形成硬脆的高碳马氏体时接头的冷裂倾向加剧。3、残余应力与变形n激光焊由于加热集中，热输入少，因此接头内的残余应力和焊接变形都比普通焊接方法小的多。4、冲击性能和疲劳性能n尚缺乏统一的认识。有人指出激光的净化作用可以提供接头的纯
11、净度从而提供其冲击性能和疲劳性能；但也有大量的试验结果发现，在一些焊接结构中，特别是厚板激光焊接头的抗冲击和疲劳性能比一般焊接方法要差。激光焊主要工艺参数及其对熔深的影响1、激光功率P hPk h：熔深；P：激光功率；k：常数。2、焊接速度v h1/vr维持小孔存在有一个最小焊接速度。速度过低则会变为传热焊模式。3、光斑直径d0d0=2.44（3m+1）f /Df：焦距；：波长；D：聚集前光束直径；m：激光震动模的阶数4、离焦量f一般选择离焦量在焊缝表面以下1/3处，可以保证有最大的熔深。激光与电弧的复合焊简介激光焊具有大熔深、窄熔宽的特点，但是其总的热输入功率有限，难以对大厚构件进行焊接。M
12、IG、TIG等电弧焊具有热输入能力强、熔宽较大而熔深不足的缺点。将二者结合起来可以充分发挥各自的优势，来实现对大厚板的高效复合焊接。激光电弧复合焊接的原理图激光切割技术n激光切割是以高能量密度的激光作为切割刀具的一种材料加工方法。它可以实现对各种金属及非金属材料的切割，激光切割主要使用CO2激光器。激光切割的特点n切口质量好。对低碳钢，切口宽度可以小到0.1-0.2mm，表面粗糙度只有几十微米，热影响区宽度只有0.001-0.1mm，切割变形小，切口两边平行。n加工柔性好，切割效率高。激光切割可以实现全数控，可以进行二维切割又可以实现三维切割。切割速度快，不需要装夹，切割过程没有刀具磨损，噪声
13、和污染小。n可切割材料种类多。几乎所有的材料都可以进行激光切割。激光切割的机理及分类n1、激光汽化切割通过激光加热使材料迅速汽化形成切口的切割方法。主要用于木材、高分子等易汽化材料的切割。由于汽化需要很高的能量输入，因此需要的激光器功率也很高。n2、激光熔化切割激光加热使材料熔化，然后靠同轴喷吹的惰性气体将熔化金属带走的切割方法。所需能量仅为汽化切割的1/10左右。主要用于不易氧化或活性金属的切割。n3、激光氧化切割类似于氧乙炔火焰切割，激光作为预热热源，氧气作为切割气体，通过氧化反应，形成金属氧化物来实现切割。由于氧化过程产生大量的热，所以切割所需的激光功率比熔化切割还小50%作用。但其只能
14、用于易氧化材料的切割。n4、控制断裂与划片切割首先利用激光在材料表面划出一条小槽或者一系列小孔，然后施加一定的外力，使材料断裂，即为划片切割，其原理与金刚石切割玻璃类似；控制断裂与划片类似，只是不需要再外加压力，直接靠激光热产生的局部热应力使材料发生断裂。激光切割的主要工艺参数n1、激光功率与切割速度所需功率的大小主要取决于材料的性质和所采用的切割机理。激光功率对切口宽度的影响不大，但是切割速度对切口宽度影响明显。速度越高切口越窄，速度过高则会出现清渣不完全的问题。切割速度对切口表面质量影响呈现U型变化，即存在一个最佳切割速度。2、气体压力与流量气体流量与切割形式、喷嘴结构、切割速度以及激光功
15、率和板厚等参数有密切关系。其它条件一定时，总有一个最佳气体流量。流量过大，会带走大量的热量，使切割速度下降；如果气体流量过小，又不能完全带走熔渣或实现充分的氧化。n3、光束质量、焦距和离焦量激光切割要求采用基模，切口宽度与激光光斑直径几乎相等。光斑的大小与透镜的焦距成正比关系，但焦深（若某截面上的功率密度为焦点处的1/2，则这一截面与焦点的距离为焦深）与焦距成反比。焦深越小，对镜头与工件的距离控制越严格。离焦量对切割速度和深度都有很大影响，焦点在板下1/3板厚处时可获得最大的切割深度和最小切口宽度。n4、喷嘴气体喷嘴是影响切割质量的一个重要参数，不同的切割方式及切割机需要配备专用的不同形式的喷
16、嘴。激光切割的应用n大型激光切割机均由CNC控制或采用机器人控制，几乎可以切割所有材料以及复杂的三维形状。在汽车工业主要用于各种薄板的复杂曲面切割；在航空航天领域主要用于各种特殊材料及复杂结构的切割；在非金属材料的切割领域也有着广阔的应用。n随着YAG激光功率的不断提高，由于其具有高的吸收率及可以采用光纤传递的优势，在切割方面有着广阔的应用潜力。其它激光加工方法简介n激光表面处理技术。n激光气相沉积。n激光冲击强化。n激光切削。n激光打孔。n激光快速成型。激光表面处理技术n激光表面处理技术就是以激光作为热源，通过在材料表明实现熔覆新材料或诱发相变等途径来改善材料的硬度、耐磨性及提高疲劳性能等的
17、材料表明处理方法。大致可以分为以下几方面：1、激光熔覆Laser Cladding；2、激光合金化；3、激光非晶化；4、激光相变硬化。激光熔覆n激光熔覆是利用激光能量在金属表面熔凝耐磨、耐腐蚀的合金层或陶瓷层。激光熔覆层与基体形成的是冶金结合层。n从熔覆层材料的添加方法可以分为：预置粉末法，预置箔片法，送丝法和动态送粉法。各种方法各有特点。n界面问题是激光熔覆技术的核心问题。研究其界面合金化机理及定量化的合金成分设计与表面组织预测设计是这一领域活跃的研究方向。激光合金化n激光合金化是利用激光能量将特定的合金元素熔入到基体材料中，以基体金属为溶剂，在基体表面形成新的合金层的表面处理工艺。又成为激光化学热处理。n根据其工艺又可以分为固相激光合金化和气相激光合金化。n激光非晶化处理激光非晶化是利用高能量的激光熔化材料表面并使其以玻璃态的形式在基体表面凝成固体的表面处理工艺。n激光相变硬化处理激光相变硬化也称作激光淬火。是激光表面处理技术中应用最早最成熟的工艺。由于激光加热冷却速度快，不需要水或油作为冷却介质直接空冷就可以得到相应的淬火组织。同时淬火层组织细小，强韧性高，硬度比常规淬火要高15%以上。工件变形小，操作简单灵活，在大型齿轮等结构中有着成熟的应用。为了提高激光吸收率，一般要在工件表面进行磷化膜处理或预涂吸光涂料。谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生
