激光焊接.ppt

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第三章第三章激光加工技术激光加工技术3.激光表面改性技术激光表面改性技术2.激光焊接激光焊接1.激光打孔和切割激光打孔和切割4.激光清洗技术激光清洗技术2022/11/6焊接技术发明至今已有百余年历史焊接技术发明至今已有百余年历史，现在全世界所有大工业的产业，像航天航空、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、武器装备及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术，焊接是其最主要的工艺。

焊接热源：

焊接热源：

已非常丰富，如火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等。

焊接的基本原理：

焊接的基本原理：

就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。

在这个同时，又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。

焊接是一个安全要求非常高的一种先进工艺。

如果焊接质量要出现问题，所造成的危害是毁灭性的。

-四川重庆的綦虹桥，突然断裂，是焊接质量问题-韩国的汉江大桥突然断裂，也是焊接质量问题。

现代焊接技术简介现代焊接技术简介2022/11/6发达国家，它每年钢产量的50到60需要进行焊接加工。

中国2001年，钢产量达到1.3亿吨，在这个1.3亿吨生产出来的钢材中，据初步统计，四千万吨需要焊接，因此焊接已经成为一门独立的学科，一项高科技，同时又是一个非常重要的产业。

激光焊是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，它是用激光来加热，所以它可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其他焊接方法难以做到的，这种方法也被利用到医学里边，比方视网膜脱落，视网膜是在眼球的后面，视网膜脱落以后眼睛就会失明，现在就用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来，这个已经是很成功的手术了。

第二个它的优点是不需要真空保护，因此，现在得到了非常广泛的应用。

2022/11/633、激光焊接技术概述、激光焊接技术概述激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。

激光焊接的应用始于始于19641964年年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接。

70年代以来，随着千瓦级大功率千瓦级大功率CO2CO2激光器的出现，激光深熔焊得到激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展了迅速的发展。

激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工l部门。

目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.920.9。

2022/11/6激光焊接可在大气中进行，无环境污染。

激光焊接可在大气中进行，无环境污染。

2）激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：

）激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：

激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金屑材料进行焊接屑材料进行焊接（对钨丝进行有效焊接对钨丝进行有效焊接）。

聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。

聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。

脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。

脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。

激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，而且激光可通过玻璃在真空中焊接。

而且激光可通过玻璃在真空中焊接。

11）激光焊接基本模式：

热导焊和深熔焊。

）激光焊接基本模式：

热导焊和深熔焊。

热导焊：

热导焊：

激光功率密度较低功率密度较低（105106Wcm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。

这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。

深熔焊：

激光功率密度高深熔焊：

激光功率密度高（106107Wcm2），工件迅速熔化乃至气化熔化乃至气化形成小孔。

这种焊接模式熔深大，深宽比也大。

在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

2022/11/64、脉冲激光焊接（热传导焊接）、脉冲激光焊接（热传导焊接）1）常用脉冲激光器：

）常用脉冲激光器：

Nd：

YAG激光器激光器调调QYAG激光器激光器脉冲脉冲CO2激光器激光器2）焊接接头形式：

）焊接接头形式：

对接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊对接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊3）影响焊接质量的工艺参数：

功率密度、脉冲宽度、脉冲波型和离焦量）影响焊接质量的工艺参数：

功率密度、脉冲宽度、脉冲波型和离焦量2022/11/6一、激光功率密度对焊接质量影响一、激光功率密度对焊接质量影响激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，激光功率密度不激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。

同时材料达到熔点和沸点的时间不同。

两种功率密度下金属表层及底层的温度与时间的关系。

两种功率密度下金属表层及底层的温度与时间的关系。

2022/11/6材料达到熔化所需的激光功率密度：

材料达到熔化所需的激光功率密度：

材料达到沸点所需的激光功率密度：

材料达到沸点所需的激光功率密度：

临界激光功率密度：

临界激光功率密度：

当材料表面出现强烈气化时，材料加热过程中将出现两种波向材料内部传播，即热波和气化波。

当激光功率密度较低时，热波的速度高于气化速度，当达到某临界功率密度时，这两种波的速度相等，可得气化时的临界激光功率密度：

对多数材料：

对多数材料：

2022/11/6金属金属热导率热导率K热扩散率热扩散率kkTmTv脉宽脉宽ttppW/cmW/cm22cmcm22/s/sssCuCu3.893.891.121.12108323001010-3-3钢钢0.510.510.150.15153527001010-3-3NiNi0.670.670.240.24145327301010-3-3TiTi0.150.150.060.06180032001010-3-3WW1.691.690.650.65338059001010-3-3MoMo1.411.410.550.55260048001010-3-3CrCr0.700.700.220.22183022001010-3-3AlAl2.092.090.870.8766020621010-3-3金属热学参量金属热学参量2022/11/6说明：

激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。

说明：

激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。

在薄板在薄板（板厚为板厚为0.01-0.10mm）焊接中，激光功率密度范围为焊接中，激光功率密度范围为FmFFc在厚板在厚板（板厚大于板厚大于0.50mm）焊接中，激光功率密度范围为焊接中，激光功率密度范围为FmFFv金属金属热扩散率热扩散率脉宽脉宽临界功率密度临界功率密度（J/cmJ/cm33）（cm（cm22/s）/s）（msms）（W/cm（W/cm22）CuCu42.8842.881010331.121.121010-3-31.41.4101066钢钢54.7654.761010330.150.151010-3-36.26.2101066NiNi55.355.31010330.240.241010-3-37.57.5101066TiTi44.2744.271010330.060.061010-3-33.43.4101066WW95.4395.431010330.650.651010-3-32.42.4101066MoMo69.0569.051010330.550.551010-3-31.61.6101066CrCr54.1754.171010330.220.221010-3-38.48.4101066AlAl28.0928.091010330.870.871010-3-38.68.61010662022/11/6二、脉冲波形对焊接质量影响二、脉冲波形对焊接质量影响分析：

分析：

激光脉冲开始作用时反射率高；当材料表面温度升至熔点时，反射率迅速下降；表面处于熔化状态时，反射率稳定于某一值；当表面温度继续上升到沸点时，反射率又一次下降。

曲线1为铜的反射率变化曲线2为钢的反射率变化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6098%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。

2022/11/6利用带有前置尖峰的激光波形，在开始出现的尖峰，迅速改变金属表面状况，使其温度上升至熔点，从而在脉冲时刻到来时，表面反射率较低，使光脉冲的能量利用率大大提高。

解决方法：

解决方法：

适用范围：

大多数金属的脉冲焊接适用范围：

大多数金属的脉冲焊接注意：

这种脉冲波型在高重复率缝焊时不宜采用。

因为重复率很高时，重叠区可能仍处于熔融状态。

若使用这种波形，初期尖峰可使表面出现高速气化，伴随着剧烈的体积膨胀，金属蒸气以超声速向外扩张，给工件很大的反冲力，使金屑产生飞溅，在熔斑中形成不规则的孔洞。

这在气密性要求高的缝焊中尤其要避免，故缝焊中宜采用矩形波或缓衰减波形。

2022/11/6三、脉冲宽度对焊接质量影响三、脉冲宽度对焊接质量影响激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它是决定材料是否熔化的重要参数。

为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化，一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点。

1）最大熔深与脉宽关系设脉冲终止时材料表面温度达到沸点，即脉冲宽度tp等于气化时间。

此时的激光功率密度：

最大熔深：

由气化时间2022/11/6最大熔深：

最大熔深：

对于铝材料：

熔点660，沸点2450，k=1.03cm2/s。

采用脉宽tp=1ms的激光，熔深不到0.1mm。

结论：

结论：

最大的熔深正比于脉宽的平方根，脉宽越长，熔深越深。

最大的熔深正比于脉宽的平方根，脉宽越长，熔深越深。

熔点、沸点相差较大的金属，如钼、铂、钨等，则熔深较深。

熔点、沸点相差较大的金属，如钼、铂、钨等，则熔深较深。

热扩散率越大的金属，如金、铜、银等，熔深越深。

热扩散率越大的金属，如金、铜、银等，熔深越深。

2022/11/6四、离焦量对焊接质量影响四、离焦量对焊接质量影响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，当正负离焦量相等时，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50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现汽化，形成蒸汽，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。

2022/11/6深熔焊：

激光功率密度高深熔焊：

激光功率密度高（106107Wcm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。

小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。

这种焊接模式熔深大，深宽比也大。

在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

5.5.激光深熔焊接激光深熔焊接11）激光深熔焊接介绍）激光深熔焊接介绍2022/11/61）1）熔深大、速度高，单位时间熔合面积大，是高效焊接方法。

2）热影响区小，焊件变形小，适合精密、热敏感部件的焊接。

3）一般不填充金属，专用气体保护，补焊部位不会氧化发蓝。

4）易于实现自动化。

激光深熔焊接激光深熔焊接不足：

1）