激光原理与应用2016.07.09.ppt

,焊接论文题目,激光原理及激光加工应用,,参考材料：激光加工技术，王家金，中国计量出版社 激光原理与技术 施亚齐 华中科技大学出版社 激光辐照效应，孙承伟，国防工业出版社,,,课程主要内容,引 言 激光的应用 第一章 激光的基本物理特性 第二章 激光产生的基本原理及激光器 第三章 激光加工系统 第四章 激光打标、激光切割 第五章 激光焊接 第六章 激光清洗,激光加工技术应用概述,一、激光加工方法,激光切割,激光焊接,激光表面处理,激光雕刻,各种加工方法的适用范围,打标: 激光器: 激光功率: 材料: 方法: 时间: 优点:,商标、刻度以及刻度图案 的标记 RSM 100Q 100 W 不锈钢 雕刻 25秒 高精度 (150 mm以上的误差 < 5 µm ),激光表面打标应用举例,激光表面打标应用举例,打标: 激光器: 材料: 方法: 打标时间: 优点:,文本、标志、数据代码以及 二维矩阵代码的标记 ROFIN IC 打标机 塑料复合材料 非常轻微的雕刻 500字符／秒(单加工头） 1000字符／秒以上(双加工头) 标刻深度小于25 µm,激光表面打标应用举例,激光器: 激光功率: 材料: 时间: 优点:,RSM 130D 3W 彩色塑料 低于15秒 永久性标识 可从后部照明,激 光 切割 应 用 举 例,2、激光切割,激 光 切 割 应 用 举 例,,3、激光焊接,热导焊接、深熔焊接,激 光 焊 接 应 用 举 例,激 光 焊 接 应 用 举 例,4.激光热处理种类,,,世界激光加工技术的发展现状,工业激光器的市场分布,激光器制造商：,美国：PRC,PRAMA,德国：HAAS,TRUMPF,ROFIN-SINAR,英国：LUMONICS 日本：川崎重工,东芝,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,切割 24%,焊接 14%,打标 24%,14%,雕刻 3% 12% 微处理,各种加工方法的应用比例 打孔 其它,9%,,,激光加工技术在汽车中的应用,第一章 激光及物理特性,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。 激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。,2019/7/17,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER 中文： 大陆地区：激光，港澳地区：激光、镭射，台湾地区：雷射 | 英语： Laser,2019/7/17,,,,,,,,,,,,,,能量,激光束物理特性,P,波长,λ,激光,自然光,一、激光的特性：,单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。,1、单色性 激光的单色性比一般光高出106～107倍以上。,自然光由波场范围较宽的光构成，激光的 谱线展宽极小，具有很好的单色性。,单色性决定物质对激光能量的吸收 和精细聚焦的可能性；,CO2：10.6μm CO： 5.4μm YAG： 1.06μm 准分子：0.24μm；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,激光束,2、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。,激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。,激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：,∆θ(发散角) 等相位面,激光的方向性带来两个结果：,光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。 一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，,可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。,,3、相干性好,以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再,使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是 光的干涉。 自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱 光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。 激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、 规则有序的大振幅光波。,2019/7/17,2019/7/17,,三、高能激光束的获取,为了获得满足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：,1、提高激光束的输出功率（亮度特性）,CO2激光：45kW，YAG,激光-5kW，半导体激光-4kW；,2、提高激光束的光束质量（发散角）,3、采用适当的 聚焦方法（透镜、反射镜聚焦）,,光束参数积(光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积)与激光功率决定加工范围,,,,4、横模 光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光加工影 响极大。光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。 通常用TEMmn表示不同横模的光场分布：,旋转对称横模,轴对称横模 气体激光器,固体激光器,,,,第二章 激光产生的基本原理及激光器,一、能级、跃迁、辐射,1、能级：当原子或分子内部的电子与外界交换能量时，原子的内能也将发,生变化，但内能的变化是不连续的，其内能的状态成为能级。粒子（分 子或原子）可以处于许多不同的能级，稳态能级称为基态。,2、辐射跃迁：粒子从外界吸收能量时从低能级跃迁到高能级；从高能级跃,迁到低能级时向外界释放能量。如果吸收或释放的能量是光能，则称此 跃迁为辐射跃迁。,辐射光子的能量：,公式中：h-谱朗克常数 ν-光波频率,3、激发：实现粒子从低能级向高能级的跃迁过程成为激发，方式主要以：,加热激发、辐射激发、碰撞激发。,E=E2 −E1 =hυ,激光的产生过程可归纳为：,激光产生,工作物质,光子放大及振荡,其它粒子的受激辐射,偶然的自发辐射,粒子数反转,外界激励,光学谐振腔,,,,,,,二、粒子数反转,1、亚稳态能级：粒子在受激状态下，可以存在的时间较长的,能级称为亚稳态能级。,2、粒子数反转：热平衡状态下，处于高能级的粒子远远少于 处于基态的粒子数，如果在外界作用下打破平衡，使亚稳 态能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，这种状态称为 粒子数反转,3、激光工作物质：凡是可通过激励实现粒子数反转的物质都,称激光工作物质。,固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； 半导体工作物质：砷化镓,工作物质——被激励后能发生粒子数反转的活性物质,激励装置——能使激活介质发生粒子数反转分布的能源,光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； 化学激励：应用化学反应方法； 热激励： 超音速绝热膨胀法； 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。,典型激光器,激光器内部结构,晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）； 全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度； 半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%； Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束； 功率计：量测输出的激光能量大小； Shutter：控制激光输出的一个开关。,全反光镜,反光镜： （越75%）,Q-Switch,晶体腔,功率计,Shutter,,,,,,,,接光纤,激光器外形,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,,,,(10 0),(02 0),(010),(00 0),CO2气体激光器，YAG固体激光器，半导体激光器,（一）CO2气体激光器,1、CO2气体激光器的工作原理 工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%； 光束波长：10.6µm; 13 0 10.6µm,0,9.6µm 0 1,0,,2、激光器的组成,光学稳定谐振腔：激光仅通过半透明反射镜离开谐振腔。 光学不稳定谐振腔：谐振腔由100％反射的反射镜组成，激光经过其 中一面反射镜离开谐振腔。,,2、CO2激光器的组成,2、电极 4、冷却水 6、出水口 8、激光束 10、风机,1、全反镜 3、交流电源 5、谐振腔 7、输出窗口 9、热交换器 11、进水口,,3、CO2激光器的分类,（1）根据气体流动方式分类：,封闭管式：工作气体在谐振腔中不流动； 慢 流 式：工作气体在谐振腔中缓慢流动； 横 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向垂直； 轴 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向同轴；,（2）根据激励方式分类：,普通直流高压激励：交流升压—高压整流（16kV）； 逆变直流高压激励：交流变频—低压整流—直流升压（16kV）； 射频激励：采用无线电波的频率进行激励；,（3）根据谐振腔形式分类：,单管直腔式：光束在直线式的腔中振荡，通常用于慢流式激光器中； 折叠腔式：内部光路中增加折叠镜，增加激光的振荡长度以提高功率；,,激光器类型： 横流 轴流,扩散冷却,输出功率等级：,3~45kW 1.5~20kW,0.2~3.5kW,脉冲能力：,DC,DC-1kHz,DC-5kHz,光束模式：,TEM02以上,TEM00-TEM01,TEM00-TEM01,光束传播系数(K),≤0.15,≤0.4,≤0.8,气体消耗：,小 大,极小,电-光转换效率：,≤15%,≤15%,≤30%,焊接效果：,较好 好,优良,切割效果：,差 好,优良,相变硬化：,好 一般,一般,表面涂层：,好 一般,一般,表面熔覆：,好 一般,一般,,（二）固体激光器,固体激光器分类 根据工作物质分类：,红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；,Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06µm，四能级；,钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06µm，四能级,根据泵浦方式分类：,氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲；,氪弧光灯泵浦: 连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；,二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲；,调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），,脉冲宽度：100~500ns，频率：几百~62kHz。,,Nd:YAG激光波长1.06μm, 可用于加工高反射率材料（如铝、铜）,激光活性物质钕(Nd3+离子)位于钇-铝-石榴石(Y-A-G)组成的固 态晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为 片状或碟状 。,工业应用的脉冲Nd:YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出 较高的脉冲功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的 15倍。,工业上应用的连续Nd:YAG激光器的输出功率已达到5kW以上。 连续Nd:YAG激光器与脉冲系统相比可达到更高的加工速度。连 续Nd:YAG激光器具有Q-开关的特殊工作模式。,Nd:YAG激光特性,,1、灯泵浦Nd:YAG激光器,大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径,7~10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50~800W。,,灯泵浦Nd:YAG体激光器 将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高,功率的激光束，每个独立的棒可通过透,镜引导并规则的排列起来。,目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。,输出4kW功率。,1kW的脉冲Nd:YAG激光器,,2、二极管泵浦YAG激光器,二极管在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标,时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器,的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。,低功率激光器：末端泵浦,高功率激光器：侧向、横向泵浦,,2、半导体泵浦YAG激光器,低功率激光器：末端泵浦,高功率激光器：侧向、横向泵浦,1. Nd:YAG晶 体棒 2. 激光束 3. 输出镜 4. 半导体阵列 5. 后镜 6. 冷却水 7. 电源 半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标 时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器 的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。,二极管泵浦YAG激光器在材料加工中的优势,灯式泵浦Nd:YAG 激光器加工头,二极管泵浦Nd:YAG 激光器加工头,的加工灵活性的增加,聚焦直径更小,工作距离更远,加工效率更高 (更高的速度或更低的功率要求),热输入低 加工灵活性更高,ΔHQ,ΔHQ 光学镜片更细小 难以到达的工作区 ΔHQ ΔHQ = 由高质量光束引起,●,● ●,较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度 光束质量高： 工作距离大 瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感,,（三）半导体激光器工作原理,半导体结构内的电 子空穴复合时，可 以在非常窄、非常 薄的区域内产生几 毫瓦功率的光。,,半导体激光器的应用,半导体激光器焊接汽车尾灯,半导体激光器焊接橡胶与塑料,工业用激光器总结,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,激光加工系统,工作台 CNC 控制系统,第三章 一、激光加工系统的构成 循环水冷系统,激光器 气体供给系统,光束传输及聚焦 CNC控制,激光 器控 制器,,,,,,,,,,,,,二、光束的传输与聚焦 （一）光束的传输,扩束后的激光束,f2,f1,扩束镜,激光束,扩束镜：用来控制激光器产生的原始光束的发散程度， 将光束直径调整到聚焦光学系统所需的任意尺寸。,1、光束的扩束,,,,,,,,,,,,,,2、光束的转向,光束转向镜,输出2,输出1,100%,激光束,CO2激光器和Nd:YAG激光器的传统转向方法都是将反射镜插入在光束的传输路径中。,,,,,,,,,,,,,,,,,3、能量的分配,几何分配 激光束,透射分配 激光束,光束转向镜 50%,50%,部分透射镜 50%,50%,,4、反射镜传输,CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,校准模块,光束反,射腔 聚焦模块 f3,耦合单元,α,激光束,5、光纤传输 光纤传输基本原理 CCD,光纤 f1 f2 聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦 合角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传 出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。,光纤传输方式,a) 阶跃折射率光纤,b) 梯度折射率光纤,出光纤后的强度分布,进入光纤前的强度分布,折射指数n,n1,n2,折射指数n,n1,n2,出光纤后的强度分布,进入光纤前的强度分布,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光纤传输方式,光纤 聚焦镜,冷却设备 光束转 向镜 激光束,多路转接器 以很高的转向频 率，依次给超过20 根的光纤提供光源， 适合“多点”或“多工 位”激光加工。,,（二）光束的聚焦,扫描式焊接加工头,,变焦点光学元件,,（三）、激光加工系统分类,根据轨迹特性：二维平面轨迹系统（二轴、三轴）,三维空间轨迹系统（四轴、五轴、六轴）,根据时间特性：能分系统、时分系统,二维平面轨迹加工（切割、焊接）系统,,四轴、三维空间轨迹加工系统,,三维空间轨迹机器人加工系统,,远距离焊接系统原理,,（四）、工作气体,指焊接过程中作为保护或其它目的的工艺气体。,通常，喷嘴到工件的距离在3~10mm的范围之间，典型的喷 嘴孔直径在4~8mm之间，经常使用低气压，气体流速在 8~30L/min之间。,,第四章、激光打标与激光切割介绍,1.激光标刻机种类,1）按激光器分,2）按工作方式划分,按工作方式可分为连续型激光标刻机和脉冲型激光标刻机。,3）按激光器波长分,按激光器波长分为红外、可见光、紫外光激光标刻机。,4）按扫描方式分,按激光器扫描方式分为光路静止型和光路运动型。典型为振镜式、工作台运动式、x/y轴激光运动式。,激光打标技术的广泛应用,常用切割激光器及应用,激光切割 技术的优势,切割质量好：切口细窄，表面光洁，热影响区小,切割效率高：与数控搭载，可适用不同形状零件,切割速度快：1200w切2mm低碳钢，速度可达600cm/min,非接触式切割：无刀具磨损,切割材料多：金属、非金属、复合材料、皮革、纤维、木材等,易实现自动化：与计算机数控技术结合,激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。,激光雕刻技术的应用领域,2019/7/17,77,第五章、激光焊接技术,2019/7/17,78,主 要 内 容,1、概述 2、激光焊接原理 3、工艺特性及参数调节 4、激光焊接加工系统 5、激光先进焊接技术,2019/7/17,2019/7/17,激光焊与电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊的对比 1）电阻焊：它用来焊接薄金属件，在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面，即通过工件电阻发热来实施焊接。工件易变形，而激光焊只从单边进行。 2）氩弧焊：使用非消耗电极与保护气体，常用来焊接薄工件，但焊接速度较慢，且热输入比激光焊大很多，易产生变形。 3）等离子弧焊：与氩弧类似，但其焊炬会产生压缩电弧，以提高弧温和能量密度，它比氩弧焊速度快、熔深大，但逊于激光焊。 4）电子束焊：它高能密度电子流撞击工件，在工件表面很小密积内产生巨大的热，形成“小孔”效应，从而实施深熔焊接。靠一束加速电子束焊的主要缺点是需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制。,2019/7/17,82,焊接设备的投资花费,电阻焊焊接基本原理,焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊 。优点， 1）电阻焊具有生产效率高； 2）焊接质量好； 3）低成本、节省材料； 4）劳动条件较好； 5)易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。 和电弧焊接相比较：1）热效率高，2）焊缝致密、没有疏松和裂纹等缺陷。,2019/7/17,85,通过激光束熔化材料来实现材料的连接； 相对于其他激光加工工艺，激光焊接需要的能量密度更大。 近年来，高功率、高质量光束激光器的发展，使得激光焊接成为工业应用关注的焦点。 激光焊接过程中会形成稳定的等离子体（耀眼的蓝色，但是在激光切割中，等离子体被彻底压制，并随熔融金属材料向下移动。,常用焊接激光器及应用,光斑一致性好，红光与圆形光斑同心，能量输出效果最佳，稳定。,焊接应用实例： （1）标准YAG脉冲激光器对常用金属焊接—不锈钢、碳钢、铝材等，焊接厚度可达到2mm，经过打压测试，能够承受25Kg以上的压力。 （2）手机通信电池应用，0.3mm壳厚焊接强度测试，抗压10Kg以上； （3）汽车动力电源应用，0.8mm壳厚焊接强度测试，抗压25Kg以上； （4）用大功率连续激光器对较厚材料进行焊接，如碳钢、不锈钢可焊厚度可达到9mm—13mm； （5）5mm厚碳钢管材焊接，抗拉伸测试，焊缝能够承受400兆帕以上压力，最后母材断裂，激光焊接焊缝完好。,激光焊接 技术的优势,可将入热量降到最低温度，热影响范围小，热变形最低,降低厚板焊接所需时间，省填料金属,无需电极，无需接触；损耗及变形可降至最低,激光束易聚焦,可再引导，实现柔性加工(其他焊接易受空间限制无法发挥),工件可放置在任意条件 （如真空或内部气体环境）,激光束可聚集在很小区域，可焊接小型且间隔很近部件,可焊材质种类多，亦可异质焊接，易于实现自动化,不受磁场影响，无需真空；可切换装置将激光送达多个工作站,激光焊接技术的广泛应用,制造业,汽车工业,电子工业,生物医学,2019/7/17,93,2、激光焊接原理及物理机制,按焊接特性分：热传导焊、深熔焊 按光束特性分：脉冲激光焊、连续激光焊； 按工艺方法分：纯激光焊、激光填丝焊、激光钎焊、双光束激光焊、激光复合焊等。,激光焊接技术分类：,2019/7/17,94,激光热传导焊,,激光辐射到材料表面的功率密度较低（≤106 W/cm2），光能量只能被材料表层吸收，然后依靠热传导效应传输热量。,2019/7/17,95,热导焊穿透深度,式中，Δz为激光在材料表层的穿透深度(通常只有几十微米)，α为材料对激光的吸收系数，I0为材料表面吸收的光强，I为光入射至Δz处的光强。 一旦表面温度达到熔点，材料表面熔化，只要表面温度不超过沸点，熔化波向材料内部稳定传播，其传播速度与激光功率密度和材料的液相、固相热力学参数有关。,2019/7/17,96,热传导焊接只适合薄板激光焊接,当板材厚度低于0.3mm时，热传导焊接可以获得很高的焊接速度，有一定的工业价值； 当板材厚度高于2mm，则激光热传导焊接的速度就太低，产业界无法接受； 热传导激光焊接时，热传导系数高的材料比系数低的材料，焊接速度要快得多；,激光热传导焊接技术主要用于薄壁零部件 的连接，如细金属丝（线），薄壁金属板材 和管材。,2019/7/17,97,激光深熔焊,激光功率密度达到106～108 W/cm2，能够迅速汽化材料并在材料内部形成小孔，并依靠小孔的移动形成焊缝。,2019/7/17,98,激光焊接能量传输比例,激光焊接过程中： 40－50％的能量由于热传导损失掉，并导致 热影响区的产生； 20－25％的能量消耗于潜热相变； 25－30％的能量消耗于焊缝温升。 具体还取决于材料的导热系数！,2019/7/17,99,3、工艺特性及参数调节,输出方式（脉冲或连续）、光斑聚焦尺寸、光束模式、偏振状态、波长,激光功率、聚焦位置，焊接速度、焊接结构与方式，拼接间隙,气体成分 保护方式 气压与流量,材料成分 材料厚度,主要工艺参数 （1）激光束特点（光源） （2）激光束调节参数及接头 形式 （3）保护气体类型 （4）材料特性,2019/7/17,2019/7/17,101,脉冲激光焊接时的工艺参数范围比较,脉宽越大，越有利于脉冲激光焊接,2019/7/17,102,激光波长对焊接过程的影响,对激光热传导焊接来说，波长的影响非常大。 短波长的吸收率高，焊接深度也高。,波长对激光深熔焊接过程也有重要影响，主要 表现为小孔外光致等离子对激光束能量的吸收： α≈n2 λ2 T3/2 n-气体密度，λ–激光波长，T-等离子温度,α≈n2 λ2 T3/2 （1）对于短波长激光而言，等离子体云对激光束 的吸收程度较低；Nd:YAG激光焊接时等离子体对 激光束的吸收率较低，因此可以采用较为便宜的 气体。 （2）对于长波长激光而言(CO2激光器)，为了减少 等离子体对激光能量的吸收，可采用电离度较大的 气体（He）,一旦有效抑制了小孔外等离子体云的屏蔽效应， 激光波长对于深熔焊接来说直接影响不大， 因为小孔效应作为黑体全部吸收入射激光的能量！,2019/7/17,103,材料特性对激光焊接的影响,反射率：电阻率越小，材料反射率越大，如Cu、Al等金属的反射率很高，不利于激光焊接。 此外，材料表面温度对材料反射率也有一定影响：温度越高，反射率越低。,2019/7/17,104,聚焦位置对焊接接头主要参数的影响,最小光斑的影响： 足够的功率密度才能形成小孔效应。 厚板激光焊接通常采用负离焦0.5-1.5mm）,2019/7/17,105,保护气体对激光焊接的影响,目的：抑制等离子体屏蔽作用、提高焊接效率 焊接中常用气体及其特性，选用时要同时考虑实际效果和经济性,2019/7/17,106,气体保护方式,同轴喷嘴 旁轴喷嘴,,,2019/7/17,107,激光焊缝质量的主要评价指标,焊缝成形质量：宏观形貌（未熔透、咬边、未填满、过烧等）、微观冶金缺陷（气孔、裂纹等）； 微观组织：晶粒大小、组织形态及物相结构、合金成分、热影响区宽度及组织等； 焊缝力学性能：抗拉强度、弯曲强度、冲击； 韧性、塑性、硬度等。,2019/7/17,108,激光焊接接头常见缺陷,除了这些成形缺陷外，最常见且影响接头力学性能的缺陷主要为气孔和裂纹！,2019/7/17,109,5 激光焊接加工系统组成,涉及光学、机械、控制、计算机等多学科的集成，主要包括： 激光器及其水冷系统 数控系统 光学系统 焊缝跟踪及焊缝质量在线检测装置 工装夹具,带走激光器进行光电转换时产生的大量热量,控制工件或激光束移动,焊前确定焊接路径和工艺参数，焊接过程中实时调整工艺参数，以保证焊缝质量,保证焊接精度、抑制焊接过程中的变形,2019/7/17,110,激光加工平台实例,,2019/7/17,,各种电池的激光焊接焊接部位,2019/7/17,CATL Confidential,电池焊接：电阻点焊接与激光焊,电池点焊机,电阻焊：工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。 激光焊：利用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。,电池激光焊机,CATL Confidential,方形动力电芯成组,2019/7/17,宝马I3,方形动力电池顶盖自动激光焊接线,2019/7/17,2019/7/17,115,新型激光焊接技术,,2019/7/17,116,双光束激光焊接,2019/7/17,117,双光束激光复合类型,（1）激光束－激光束之间复合； （2）CO2－复合； （3）Nd:YAG脉冲激光－脉YAG激光复合；,2019/7/17,118,激光——电场（磁场）复合焊接,主要是通过外场来消除等离子屏蔽效应，以达到提高焊接熔深或焊接效率的目的。,2019/7/17,119,激光-电弧复合焊接,单纯激光焊接存在以下问题： 铝合金等高反射率材料的焊接存在相当难度； 焊接冶金缺陷多，接头韧性不高； 装夹精度要求高。 1978年，英国Steen 教授首次提出复合焊接的概念，研究表明激光－电弧复合焊接优点突出，应用前景广阔，是当前最具发展前景的激光先进焊接技术。,2019/7/17,120,低碳钢激光－电弧复合焊接,,,激光－MIG复合焊接： 焊接熔深提高60％，焊接速度提高170％ 激光－TIG复合焊接：焊接熔深提高44％,激光焊接 电弧焊接 复合焊接,2019/7/17,121,激光－电弧复合焊接焊缝形貌,,,,2019年7月17日,122,激光－电弧复合焊接系统,TIG焊机,MIG焊机,,,,,8轴联动 6 kW （10kW）光纤激光器加工平台，焊接特性更为优异，能够开展复杂结构件的3D焊接技术研究。,,第五章 激光清洗,wps.cn/moban,Company Logo,Catalogue,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的原理,脉冲式的Nd:YAG激光清洗的过程依赖于激光器所产生的光脉冲的特性，基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。其物理原理可概括如下： a)激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收。 b)大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体（高度电离的不稳定气体），产生冲击波。 c)冲击波使污染物变成碎片并被剔除。 d)光脉冲宽度必须足够短，以避免使被处理表面遭到破坏的热积累。 e)实验表明当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。,2019/7/17,,,,,2019/7/17,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的原理,,等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生，这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。这个阈值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值，则基底材料将被破坏。为在保证基底材料安全的前提下进行有效的清洁，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间。 每个激光脉冲去除一定厚度的污染层。如果污染层比较厚，则需要多个脉冲进行清洗。将表面清洗干净所需要的脉冲数量取决于表面污染程度。由两个阈值产生的一个重要结果是清洗的自控性。能量密度高于第一阈值的光脉冲将一直剔除污染物，直到达到基底材料为止。然而，因为其能量密度低于基底材料的破坏阈值，所以基底不会受到破坏,2019/7/17,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的方法,①激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污； ②激光+液膜方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光辐射去污； ③激光+惰性气体的方法，即在激光辐射的同时，用惰性气体吹向基体表面，当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面，以避免表面再次污染和氧化； ④运用激光使污垢松散后，再用非腐蚀性化学方法清洗。 最常用的是前 3种方法。第4种方法仅见于石质文物的清洗中。,Company Logo,激光清洗的优点,2．1　激光清洗是一种”绿色”的清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题； 2．2　传统的清洗方法往往是接触式清洗，对清洗物体表面有机械作用力，损伤物体的表面或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面，无法去除，产生二次污染，激光清洗的无研磨和非接触性使这些问题迎刃而解； 2．3　激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全； 2．4　激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物； 2．5　激光清洗效率高，节省时间； 2．6　购买激光清洗系统虽然前期一次性投入较高，但清洗系统可以长期稳定使用，运行成本低，以Quantel公司的LASERLASTE为例，每小时的运行费用仅为1欧元左右，更重要的是可以方便地实现自动化操作。,wps.cn/moban,Company Logo,激光清洗的应用,4.1模具的清洗 4.2武器装备的清洗 4.3飞机旧漆的清除 4.4楼宇外墙的清洗 4.5电子工业中的清洗 4.6精密机械工业中的精确去酯清洗 4.7核电站反应堆内管道清洗,2019/7/17,激光清洗的优点及主要应用： 激光清洗不会破坏基底： ●石雕清洗 无研磨： ●塑料模具清洗、洗橡胶模具清洗、玻璃模具清洗 非接触无热效应： ●胶合前的表面预处理、加工前表面预处理 激光清洗不会产生污染 : ●金属表面氧化层去除 不产生附加物质： ●表面去脂 无需溶剂 垃圾量极少 ●电路板清洗 无光化学反应 ●各种物品表面清洗,2019/7/17,2019/7/17,2019/7/17,136,谢谢！,