激光焊接技术讲义二.pdf

激光焊接技术讲义二.pdf

《激光焊接技术讲义二.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光焊接技术讲义二.pdf（100页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Nd:

YAG激光波长激光波长1.06m,可用于加工高反射率材料（如铝、铜）可用于加工高反射率材料（如铝、铜）激光活性物质钕激光活性物质钕（Nd3+离子离子）位于钇位于钇-铝铝-石榴石石榴石（Y-A-G）组成的组成的固态晶体固态晶体中，该晶体通常呈中，该晶体通常呈棒状棒状，当光束质量较高时，也有可能为，当光束质量较高时，也有可能为片状或碟状片状或碟状。

工业应用的脉冲工业应用的脉冲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。

倍。

Nd:

YAG激光特性激光特性1、灯泵浦、灯泵浦Nd:

YAG激光器激光器大功率激光器中，典型的大功率激光器中，典型的Nd:

YAG棒一般是长棒一般是长150mm，直径，直径710mm。

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。

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激光器的功率范围约为50800W。

灯泵浦灯泵浦Nd:

YAG体激光器体激光器将几个将几个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。

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。

目前的目前的Nd:

YAG激光器系统多达激光器系统多达8个腔。

输出个腔。

输出4kW功率。

功率。

1kW的脉冲Nd:

YAG激光器激光器类型：

激光器类型：

YAGCO2光束波长光束波长:

1.06m10.6m输出功率等级：

输出功率等级：

0.15kW0.545kW脉冲能力：

脉冲能力：

DC-60kHzDC-5kHz光束模式：

光束模式：

多模多模TEM00-多模多模光束传播系数（光束传播系数（K）0.150.1-0.8电电-光转换效率：

光转换效率：

3-10%15-30%光束传输光束传输:

光学镜片或光纤光学镜片光学镜片或光纤光学镜片焊接效果：

焊接效果：

优良好优良好切割效果：

切割效果：

一般优良一般优良表面处理表面处理:

好好好好运行成本运行成本:

高低高低CO2、YAG激光器性能比较激光器性能比较2、半导体泵浦、半导体泵浦YAG激光器激光器半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时小时（用于打标时寿命可超过用于打标时寿命可超过15000小时小时），而且无需任何维护。

而弧光灯泵浦激光器的寿命只在，而且无需任何维护。

而弧光灯泵浦激光器的寿命只在1000小时以下小时以下（打标激光器为打标激光器为2000小时以下小时以下）。

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晶体棒晶体棒2.激光束激光束3.输出镜输出镜4.半导体阵列半导体阵列5.后镜后镜6.冷却水冷却水7.电源电源棒式半导体泵浦棒式半导体泵浦YAG激光器激光器盘式半导体泵浦盘式半导体泵浦YAG激光器激光器免调整型腔体免调整型腔体Yb：

YAG激光器中的半导体泵浦源激光器中的半导体泵浦源输出功率输出功率750W，单圆片设计，单圆片设计热透镜效应比较热透镜效应比较YAG棒的设计棒的设计圆盘的设计圆盘的设计盘式激光器的优点盘式激光器的优点半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势半导体泵浦YAG激光器在材料加工中的优势较小的焦点直径较小的焦点直径：

切割、焊接时能达到很高的加工速度：

切割、焊接时能达到很高的加工速度光束质量高：

光束质量高：

工作距离大工作距离大瑞利长度大：

瑞利长度大：

焦点位置对公差不敏感焦点位置对公差不敏感扫描焊接原理扫描焊接原理振镜扫描焊接的控制振镜扫描焊接的控制振镜扫描焊接结果振镜扫描焊接结果半导体泵浦YAG激光半导体泵浦盘式激光不锈钢焊接不锈钢焊接CO2激光器与激光器与Yb:

YAG盘式激光器比较盘式激光器比较（三）半导体激光器工作原理（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。

典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成典型激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每个子阵列约有个子阵列，每个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度约为个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度约为600m。

许多这样的元件组合起来可形成一个许多这样的元件组合起来可形成一个“激光条激光条”。

半导体激光波长808，940，980nm。

半导体激光波长808，940，980nm。

光的产生光的产生激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。

激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。

光的产生光的产生激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。

激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。

FastaxiscollimationSlowaxiscollimation准直准直进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将这样的单元结构称为进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将这样的单元结构称为“堆栈堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW。

，采用专门的反射镜，将几个这样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW。

半导体激光能量几乎是无限的光从一个区域发出光从不相干的光源发出半导体激光能量几乎是无限的光从一个区域发出光从不相干的光源发出聚焦性差聚焦性差“亮度低亮度低”堆栈堆栈与常规激光器增加能量方法的不同之处与常规激光器增加能量方法的不同之处半导体、半导体、CO2、NdYAG激光器的比较激光器的比较光束传播方式光束传播方式附带电源的大功率半导体激光器半导体激光加工头不同激光器的外观不同激光器的外观涡轮叶片激光熔覆涡轮叶片激光熔覆轴高速熔覆轴高速熔覆扭转弹簧表面硬化扭转弹簧表面硬化半导体激光焊接钢盒半导体激光焊接钢盒IRDiodeHousingLidwithpushbuttonsWeldingofanelectronickeyDiodePower20-60WWeldingspeed3-10m/minFocaldiameter1mmOilTankTankLidWeldingofanoiltank（GFK）Diodepowerca.60WWeldingspeed1-2m/minFocaldiameter2mm半导体激光器焊接塑料半导体激光器焊接塑料CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比、半导体激光器光束质量对比工业用激光器总结工业用激光器总结第三章激光加工系统第三章激光加工系统一、激光加工系统的构成一、激光加工系统的构成激光器激光器激光器激光器CNC控制系统控制系统CNC控制系统控制系统CNC控制工作台CNC控制工作台循环水冷系统循环水冷系统气体供给系统气体供给系统光束传输及聚焦光束传输及聚焦激光器控制器激光器控制器二、光束的传输与聚焦

（一）光束的传输二、光束的传输与聚焦

（一）光束的传输扩束镜：

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。

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1、光束的扩束2、光束的转向2、光束的转向CO2激光器和激光器和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。

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3、能量的分配4、反射镜传输4、反射镜传输CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理5、光纤传输、光纤传输光纤传输基本原理光纤传输基本原理聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合角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。

聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合角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。

光纤传输方式光纤传输方式光纤传输方式光纤传输方式多路转接器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“多点多点”或或“多工位多工位”激光加工。

激光加工。

（二）光束的聚焦

（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。

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通常，喷嘴到工件的距离在310mm的范围之间，典型的喷嘴孔直径在的范围之间，典型的喷嘴孔直径在48mm之间，经常使用低气压，气体流速在之间，经常使用低气压，气体流速在830L/min之间。

之间。

第四章激光与材料相互作用基础第四章激光与材料相互作用基础激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。

是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。

激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。

是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。

一、一、激光与材料相互作用的物理过程激光与材料相互作用的物理过程1能量变化过程1能量变化过程激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律E0=E反射反射+E吸收吸收+E透过透过E0入射到材料表面的激光能量；入射到材料表面的激光能量；E反射反射被材料反射的能量；被材料反射的能量；E吸收吸收被材料吸收的能量；被材料吸收的能量；E透过透过激光透过材料后仍保留的能量。

激光透过材料后仍保留的能量。

上式可转化为：

上式可转化为：

1=E反射反射/E0+E吸收吸收/E0+E透过透过/E0即：

即：

1=R+T其中：

其中：

R反射系数反射系数;吸收系数吸收系数;T透射系数透射系数当材料对激光为不透明时E当材料对激光为不透明时E透过透过=0，则=0，则1=R+1=R+激光入射到距离材料表面X处的激光强度为：

（布格定律）激光入射到距离材料表面X处的激光强度为：

（布格定律）表明：

1、随激光入射到材料内部深度的增加，激光的强度将以几何表明：

1、随激光入射到材料内部深度的增加，激光的强度将以几何级数减弱；级数减弱；2、激光通过厚度为1/的物质后，激光的强度减少1/e，说明2、激光通过厚度为1/的物质后，激光的强度减少1/e，说明材料对激光的吸收能力应归结为吸收系数的大小。

材料对激光的吸收能力应归结为吸收系数的大小。

=eII02、激光与材料相互作用引起的物态变化2、激光与材料相互作用引起的物态变化激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。

影响因素主要包括：

激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。

影响因素主要包括：

激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间等因素。

激光照射下，随着材料对激光吸收的增加，作用区材料温度升高，当E等因素。

激光照射下，随着材料对激