激光焊接handbook.docx

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激光焊接handbook

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第一章激光焊接机的原理及结构

第一节概述

激光点焊是激光材料加工技术应用的重要方面之一，主要用于焊接薄壁材料或低速焊接，焊接过程是热传导型，即激光辐射加热工作表面，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、峰值和重复频率等参数，使工件熔化形成特定的熔池。

与其他焊接技术比较，激光点焊的主要优点是：

1、聚焦后的功率密度可达105～107W/cm2，甚至更高，加热集中，完成单位长度、单位厚度工件焊接所需的热输入低，因而工件产生的变形极小，热影响区也很窄，特别适宜于精密焊接和微细焊接。

2、可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形，激光焊缝的深宽比目前以达到12：

1，不开坡口单道焊接钢板的厚度达到50mm。

3、适宜于难熔金属、热敏感强的金属以及热物理性能差异悬殊、尺寸和体积悬殊工件间的焊接。

4、可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。

5、可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位，YAG激光（波长1.06um）还可用光纤传输，可达性好。

6、激光束不受电磁干扰。

无磁偏吹现象存在，适宜于磁性材料焊接。

7、不需真空室，不产生X射线，观察及对中方便。

激光焊接的不足之处是设备的一次投资大，对高反射率的金属直接进行焊接比较困难。

第二节激光焊接原理

一、激光产生的基本原理

1、能级及辐射跃迁

当原子或分子内部的电子与外界交换能量时，原子的内能也产生变化，但内能变化不是连续的，其内能的状态称为能级。

一个粒子（原子或分子）可以处于许多不同的能级，其最低的能级称为基态。

当粒子从外界吸收能量时，从低能级跃迁到高能级；当粒子从高能级跃迁到低能级时，向外界释放能。

若吸收或释放的是光能，则称此跃迁为辐射跃迁。

当粒子从高能级E2向低能级E1辐射跃迁时，辐射光子的能量E等于两个能级之差，即：

E＝E2—E1=hv

式中h为普朗克常数，v为光波频率

当粒子吸收外来光子的能量等于两个能级差时，粒子从低能级跃迁至高能级。

根据量子力学观点，粒子（原子或分子）不可能有绝对准确的能量值，每个能级都显现出一定的宽度，这是因为粒子能级的变化是以跃迁几率的形式展现出来的，能级中心对应的跃迁几率最大，实际应用中，能级宽度用最大几率一半对应的范围进行量度。

2、自发辐射、受激辐射和受激吸收

通常，系统中的绝大多数粒子都处于基态，为了实现粒子从低能级到高能级跃迁，需进行激发。

激发的方式主要有加热激发、辐射激发和碰撞激发等。

加热激发是通过加热提高系统的温度，从而使处于高能级的粒子数增加；辐射激发是通过外来光的照射并经粒子吸收光能而实线能级跃迁；碰撞激发是粒子与其它电子或受激粒子碰撞、发生能量转移而实现能级跃迁。

处于高能级的粒子自发地向低能级跃迁并释放出一个光子的过程称为自发辐射。

处于高能级E2的粒子，如受到一个能量恰为hv＝E2－E1的光子作用后，跃迁到低能级E1并同时辐射出一个和入射光子完全一样（频率、相位、传播方向和偏振方向均相同）的光子的过程为受激辐射，而受激吸收则是指处于低能级E1的粒子，受到能量恰为hv＝E2－E1的光子作用且吸收该光子并跃迁到高能级E2的过程。

自发辐射的光波之间没有固定的相位关系，没有固定的频率，没有固定的传播方向和偏振方向，光向四周传播，普通光源就是通过自发辐射而发光的。

受激辐射在一个外来光子的作用下，出现两个完全相同的光子，即受激辐射起到了光放大的作用。

3、泵浦与粒子数反转

热平衡状态下，处于高能级的粒子数远远少于处于基态的粒子数。

当外界入射光进入介质后，受激辐射的放大作用总是小于受激吸收的削弱作用，因而入射光必然受到衰减。

欲使入射光通过介质后得到增强与放大，就必须打破热平衡，使处于高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。

凡是能够通过激励而实现粒子数反转的物质称作激光工作物质（或激活介质），激光工作物质一般都是三能级系统或四能级系统。

凡是能使激光工作物质在某两个能级间实现粒子数反转的过程称为泵浦或抽运。

典型的三能级激光工作物质是掺有铬粒子的红宝石晶体，典型的四能级系统激光工作物质有钕玻璃和Nd3+；YAG（掺钕钇铝石榴石）等，典型的类四能级系统激光工作物质如He－Ne系统和CO2系统。

4、激光的形成过程

为了提高激光工作物质的增益，在实际的激光器内，激光工作物质两端都放有反射镜，这两个反射镜组成的系统称作谐振腔。

最简单的谐振腔是由两个互相平行的平面反射镜组成。

激光工作物质在泵浦源的作用下，处于低能级的粒子不断向高能级跃迁，如果泵浦的速率够大，就可打破热平衡状态的粒子分布情况，实现粒子数反转。

在激活介质内部，自发辐射产生的光子会引起其它粒子的受激辐射，如果反转的粒子数密度超过一定数量，光束通过激活介质时就会得到放大。

由于谐振腔对光的反射，使得那些与谐振腔轴不平行的光很快逸出腔外，而与谐振腔平行的光在腔内来回发射，并多次穿过激活介质，形成正反馈，最后产生了与腔轴平行的激光束。

5、激光的纵模和横模

在谐振腔里，振幅相同的相干波在同一直线上相向传播，满足驻波产生的条件，每一种驻波称为一个纵模，相邻纵模的频率间隔：

横模是指在与前轴垂直方向上存在的稳定的光场分布，这个光场的分布总是不均匀的。

以平行平面腔为例进行分析。

若两镜的口径为2a，间距为L，当光束在两镜之间来回反射时，必然发生衍射。

假如开始时横向光场的分布是均匀的。

第一次衍射时，相当于圆孔衍射，第二次衍射时，边缘部分被挡住，第三次、四次……衍射时，上述过程继续发生，每次衍射的结果都是削弱了边缘部分的光振幅，经过多次衍射后形成了边缘部分的光强很小，而圆孔中心线附近的光强大的光场分布。

6、激光的特点

激光具有方向性好、亮度高、单色性强以及相干性好四大特点：

1）、方向性好由于谐振腔对光束方向的选择，使激光具有很小的发散角，甚至可以达到0.1mrad，如经适当的光学系统扩束，发散角还可进一步降低。

设S为激光传播方向上的一块球面，球面面积为A，球面的曲率半径为R，它所对应的立体张角为Q，发散角为，则

Q＝A/R2

当θ很小时，A≈π（Rsinθ）2≈π（Rθ）2，所以Q≈πθ2

若θ＝10-3rad时，Q＝π×10-6sr。

这说明激光器只向数量级为10-6sr的立体空间传播。

激光良好的方向性对其聚焦性有重要影响，由公式d＝fθ可知，微小的发散角可使聚焦后的束斑直径很小。

2）亮度高若光源的发光面积为ΔS，在Δt时间内向法线方向上立体角为ΔQ的空间发射能量为ΔE，则光源在该方向上的亮度

B＝ΔE/ΔSΔtΔQ

激光束的立体发散角一般为10-6sr，所以激光的亮度比普通光源高百万倍。

3）单色性强单色性是指光波的频率宽度Δv很小，或者说波长的变化范围Δλ很小，激光的单色性比普通光源的好万倍以上。

4）相干性好相干性是指在不同的空间点上以及不同的时刻光波场相位的相关性。

上述激光的四个特性本质上可归为一个特性，即相干性。

激光的高亮度、良好的方向性以及单色性可以使激光能量在空间和时间上的高度集中，因而是进行焊接和切割的理想热源。

二、激光焊接的原理

激光焊接实质上使激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。

1）、光的反射与吸收当光束照在金属表面时，一般都存在强烈的反射现象。

金属对光束的反射能力与它所含的自由电子密度有关，自由电子密度越大（电导率越大），反射本领越强，对同一种金属而言，反射率还与入射光的波长有关。

波长较长的红外线，主要与金属中的自由电子发生作用，而波长较短的可见光和紫外光，除与自由电子作用外，还与金属的束缚电子发生作用，而束缚电子与照射光作用的结果则使反射率降低。

总之，对于同一种金属，波长越短，反射率越低，吸收率越高。

2）材料的加热一旦激光光子入射到金属晶体，光子即与电子发生非弹性碰撞，光子将其能量传递给电子，使电子由原来的低能级跃迁到高能级。

与此同时，金属内部的电子间也在不断的互相碰撞，因此，吸收了光子而处于高能级的电子将在其他电子的碰撞以及与晶格的互相作用中进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度升高，改变材料表面及内部温度。

3）材料的熔化及汽化激光焊接时，材料达到熔点的时间为微秒级；脉冲激光焊接时，当材料表面吸收的功率密度为105W/cm2时，达到沸点的典型时间为几毫秒；当功率密度大于106W/cm2时，被焊材料会产生急剧的蒸发。

在连续激光深熔焊接时，正是由于蒸发的存在，蒸气压力和蒸气反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属静压力而形成小孔，小孔类似于黑体，它有助于光束能量的吸收，显示出“壁聚焦效应”，由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，经多次反射而达到孔低，最终被完全吸收。

4）激光作用终止，熔化金属凝固焊接过程中，工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发产生的强驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速，在小孔的近表面处形成大旋涡，此后，小孔后方液体金属由于传热的作用，温度迅速降低，液体金属很快凝固形成焊缝。

第三节、激光焊接机结构

典型的激光焊接机由激光电源、光学系统、冷却系统、吹气装置、数控系统及工控系统组成。

1、激光电源激光电源是激光焊接机的重要部分，提供焊接所需的光能。

对激光电源的要求是稳定、可靠，能长期正常工作。

激光电源采用IGBT通过储能电容放电。

激光电源有一个高压引燃氙灯电路，在激光电源开始充电之前，先将氙灯点亮，并维持较小的电流。

当电容充电时，氙灯发出强光照射YAG晶体使其受激发射激光。

通过单片机程序可实现对放电电流、脉冲的控制，从而达到对输出激光的控制。

2、光学系统光学系统用以进行光束的传输和聚焦。

一般由YAG激光器、反射镜、聚光镜构成。

3、冷却系统冷却系统主要是对激光器进行降温，保护激光器正常工作，一般采用水冷形式。

4、吹气装置吹气装置主要是输送保护气体，保护焊缝，增加焊接熔深。

并吹走工件上方对激光有反射作用的等离子。

5、数控系统主要控制工作台的运动以达到需要的焊接形状。

主要由PLC控制系统、步进电机、驱动器、丝杆（导轨）、旋转台等组成。

6、工控系统主要用于输入参数并对参数进行实时监控、显示，还具有报警和保护功能。

第二章激光焊接机的安装调试

第一节整机调试

1、氙灯和晶体的安装

首先将电极压块上的螺钉拆卸下来，取下压块即可拆装氙灯。

装氙灯时注意：

将氙灯平行放进谐振腔内；检查左右两电极头是否安放平稳且处于中间。

装晶体的方法和装氙灯一样。

装完后，分别将盖板及棒套压紧螺母装好，确定无渗水现象。

2、水路检查

将水箱加入合适的去离子水或清洁的蒸馏水，运行设备，检查水泵及各接口处有无渗水现象。

第二节光路调试

1、激光焊接机主要光学元件有：

二维全反镜、半反镜、扩束镜、45°反射镜、聚焦镜等。

2、激光焊接机光路顺序：

聚焦镜

3、调节步骤

1）、打开红光，先不装二维全反镜和半反镜，将晶体反射的杂点居中。

2）、把红光调至晶体前面的棒套中心。

3）、装上全反镜，把红光反射的杂点居中。

4）、装上半反镜，把红光反射的杂点居中。

5）、通电后，调整光斑，校正后将红光调至光斑中心。

6）、调整45°反射镜，把红光调至枪嘴中心。

7）、装上扩束镜，将光斑调圆；如调不圆，将枪嘴卸下，调圆光斑后把枪嘴装上，看光斑是否和刚才一样，调整45°反射镜，将光斑调圆。

第三节驱动调整

1、驱动器检查

检查驱动器及丝杆，将里面的灰尘等杂物去除，检查各部分的润滑是否足够。

2、位置调整

装上焊接夹具，将平台移至最左端，观察光斑能否打到夹具上最右端的焊接位置；将平台移至最右端，观察光斑能否打到夹具上最左端的焊接位置；同时检查平台上下移动后的位置能否进行良好的焊接。

第三章激光焊接机焊接规范

第一节开关机步骤

1、开机过程

打开空气开关扭开钥匙弹起急停开关按下开机键右上角功能显示屏显示字母“P”按下“选择”键，选择“ON”后按“确认”键。

大约2分钟后，机器鸣笛一声，数码管显示“P”，且LED预燃灯亮，表示灯已经点燃。

此时可以调入程序、设置参数进行焊接。

2、关机过程

按“选择”键选择“OFF”按“确认”键当听到面板发出提示音，功能显示屏关闭反向扭钥匙关机按下急停键

关闭空气开关。

第二节参数设置

在显示屏显示“P”时，按编程键即可对参数进行设置。

激光焊接机主要的焊接参数有：

电流、脉冲、频率、焦距。

它们对焊缝的影响如下：

1、电流：

主要影响焊缝的熔深。

当光斑直径不变时，电流越大，熔深越深；

熔深

电流

2、脉冲：

主要影响焊缝的熔宽，同时对熔深产生影响。

脉冲越大，熔宽越宽，熔深越浅。

对搭接的焊接接头而言，其焊接后产品的可靠性越差。

3、频率：

指每秒钟激光发射的频次，对熔深有影响。

4、焦距：

焦距不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积都有较大影响。

根据实验得到的结果，当焦点位于工件较深部位时，形成V型焊缝；当焦点在工件以上较高距离时，形成钉头焊缝，且熔深减小；当焦点位于工件表面下1mm左右时，焊缝截面两侧接近平行。

实际应用时，焦距一般位于工件表面下1mm左右。

在显示屏显示“P”时，按下编程键，对参数进行设置。

选择1～99数字键，按“确认”键进入该组参数，按“选项”则可在电流和脉宽之间选择设置，按“确认”键则可对频率进行设置。

一组参数可以设置成多段的组合，多段参数设置方法是：

在进行参数设置时，继续按“编程”键，显示屏显示P2、P3…。

第三节程序编制

1、编码器使用说明

连接编码器的数据线，编码器的屏幕上出现版权标志，几秒钟后，出现两个选择。

选择第1项，进入在线方式，此时读写的对象是激光焊接机的ROM或RAM。

选择第2项，进入离线方式，此时读写的对象是编码器的ROM。

选择了在/离线方式后，使用功能键RD（读）、WR（写）、INS（插入）、DEL（删、MNT（监视）、TEST（测试）、PATA（参数）、OTHER（其他）对程序进行编译。

功能键RD（读）、WR（写）、INS（插入）、DEL（删除）主要对程序语句进行查阅、写入、修改、插入、删除，其相应的状态在编码器显示屏的左上角有显示。

MNT（监视）、TEST（测试）主要是对程序运行状态进行监视和进行示数方式手动操作。

MNT（监视）有三种方式

1）、可以监视目前的指令、顺序号和X、Y轴的坐标。

2）、可以监视或强制输出输入输出点（X、Y）及中间继电器等状态。

3）、可以修改寄存器的值。

TEST（测试）有5种方式

1）、返回机械原点。

2）、更改现在值。

3）、定量进给。

4）、点动。

5）、单条指纹动作。

PATA（参数）、OTHER（其他）对程序的内置参数进行设定，一般情况下不允许使用。

2、常见命令

Cod29：

设置当前坐标为电气原点；

Cod90：

以电气原点（0，0）为绝对坐标原点；

Cod04，K100：

延时等待1秒

Cod01，y50，f2000：

直线插补指令，以2000个速度单位向Y轴方向移动50个坐标单位；

Cod03，x150，y150，i-50，f2000：

逆时针圆弧插补，在始点逆时针圆弧插补到（150，150），圆心位置在X轴始点（200）沿X轴减小到方向平行移动50个坐标单位。

SETY000：

接通Y00端，发出激光；

RSTY000：

撤除激光；

Cod30：

返回原点；

M02（end）：

结束。

第四章激光焊接机的维护与保养

第一节激光焊接机的保养

1、日常维护

1）、清洁机器表面及工作台和焊接夹具的灰尘和碎屑。

2）、检查外循环水运行是否正常，内循环水液面是否符合要求。

3）、检查设备参数是否正常。

4）、检查夹具定位部位是否紧固。

5）、检查运行程序设定是否和被焊物料要求一致。

2、定期保养

1）、检查、清洁电控箱及各腔体内部。

2）、检查、清洁、更换各镜片。

3）、检查设备的活动机械部分的清洁、润滑、连接。

4）、检查内外循环水管是否漏液，接头是否松动。

5）、检查焊接底板、夹具、手柄等机械锁紧部分是否紧固，螺纹有无滑丝现象，夹具能否可靠夹紧。

6）、检查机械外露连接线是否正常连接，接线是否规范。

3、注意事项

1）、聚光腔内膜一般是镀银的椭圆成像腔，不允许有划伤，更换氙灯时注意。

2）、脉宽设置一般不允许超过3ms，否则会缩短灯的使用寿命，甚至将灯损坏。

3）、聚光腔及晶体内有异物时，应用酒精和棉签或者擦镜纸进行擦拭。

4）、镜片有污物时用酒精和棉签或者擦镜纸进行擦拭。

5）、焊接平台的移动速度不宜设置过大，避免对定位精度产生影响。

6）、激光焊接机工作时禁止加入冷水。

第三节常见问题及原因

1、焊接不牢、Tab脱落。

检查Tab来料

另外：

焊接夹具的压爪压不紧物料也会导致焊接不牢，请调机时注意。

2、穿孔、过焊。

重新焊接夹具压爪、更换锁紧块

3、半孔。

焊接夹具限位槽或者Tab位置不对

4、水温报警。

换主控箱板看水温是否报警，是则主控箱板损坏

是

是否

5、水压报警。

水压报警

检测水泵是否正常运转

是否

检查变频器是否有交流220V供电输入

检查三相水泵各相电流是否正常（正常值为3.3A）

是否

检测交流220V供电系是否正常

变频器短路，看水泵是否运转

区分是水泵保护盒还是水位传感器引起的水压保护

短接水压保护盒4、1点，开机看水压是否报警

是是

短接水泵保护盒4、3点，在ON状态下，确认点灯看水压是否报警

检测接触器是否开路接触不良

检查主控箱的连线是否正常。

检查十芯阴座与水泵保护盒是否开路，各连线是否松动

否

检查变频器与水泵的连线是否松动

是是

更换

更换主控箱板，恢复短接点

是否

水压保护盒误动作

水位传感器引起水压报警

否

检查水泵是否损坏，水泵电容是否正常。

传感输出指示灯是否亮

水泵保护盒是否正常。

电流感应器是否正常。

否是

接线是否正常，传感器坏

水位是否正常