激光应用焊接技术创新研修课课程报告.docx
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激光应用焊接技术创新研修课课程报告
本科生创新研修课报告
激光焊接应用技术
专业焊接技术与工程
学生任逸群
学号7132910605
授课教师陶汪
日期2015.4
哈尔滨工业大学教务处制
激光焊接应用技术创新研修课报告
一、激光焊接技术特性
1．激光技术原理
1.1激光的基本物理特性
1.1.1单色性
光的颜色由光的波长（或频率）决定。
一定的波长对应一定的颜色。
太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。
发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。
比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。
单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。
如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。
由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。
以输出红光的氦氖激光器为例，产生的632.8nm的谱线宽度只有109nm，而普通的光源谱线宽度是109nm，高出106以上，所以激光的单色性非常的好。
1.1.2方向性
普通光源是向四面八方发光。
要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。
激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有103-105弧度，接近平行。
1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。
若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
而一个具有10mW功率的氦氖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高的亮斑。
1.1.3相干性
一个几十瓦的电灯泡，只能用作普通照明。
如果把它的能量集中到1m直径的小球内，就可以得到很高的光功率密度，用这个能量能把钢板打穿。
然而，普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。
普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。
激光与普通光相比则大不相同。
因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，即激光的相位在时间上是保持不变的，因此可以用透镜把它们会聚到一点上，形成相位整齐，规则有序的大振幅光波，把能量高度集中起来，这就叫相干性高。
一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm，比太阳表面的亮度还高若干倍。
具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。
1.1.4激光光束质量的评价
通常认为,光束质量是从质的方面来评价激光的特性。
但是,长时间以来,光束质量一直没有确切的定义,也未建立标准的测量方法,这给科研和应用都带来不便。
20世纪90年代初,Siegman对描述激光光束质量的M2因子给出较为完整的理论[1],对光束主要特征量如光束质量、束宽和远场发散角及其传输变换的研究也进入了一个新的层次,已延拓至非衍射转换极限非高斯光束的实际任意光束[2]。
这一基于二阶矩定义的光束质量的M2因子（其中M为光束衍射极限倍数）,可以更客观、至少在物理上更客观地评价某些特殊光学元件和激光系统。
但各种评价方法都存在着适用范围和局限性,各种光束质量的定义对应于不同的应用目的,所反映光束质量的侧重点也不同,因此光束质量的好坏,应视具体的应用目的做出评价。
下文主要介绍M2因子光束质量的评价方法，并简述其他方法。
光束质量的描述必须用一个具体的量值表示,它应该是从完整描述光波的无穷多信息中抽取组合成的最能反映光束特征、最具有物理内涵的一个量值,实际应用中常用来评价光束质量的方法有M2因子、衍射极限倍数、桶中功率比、斯特列尔比等。
我所查阅的是M2因子，根据国际标准化度量局的定义,用M2来衡量光束质量。
M2=实际光束的空间束宽积÷理想光束的空间束宽积=πw0θ/4π
（1）
式
（1）中的空间束宽积（space-beamwidthproduct）是指光束在空间域中的宽度（束腰宽度）和在空间频率域中的角谱宽度（远场发散角）的乘积。
光束传输因子为
K=1/M2=4λ/πw0θ
（2）
其中,w0为光束的束腰直径即其光斑宽度w（z）的极小值;θ为远场发散角,定义为θ=
;λ为波长[3]。
M2因子定义式中以理想基模高斯光束作为比较标准,这对实际工作中遇到的大多数情况是合适的。
用与测不准关系类似证明可知M2≥1,对基模高斯光束M2=1,M2值越大,则光束质量越差。
另外还有BPP光束参数积（BeamParameterProduct）
BPP=w0×θ
1.1.5其他参数
光束聚焦特性，聚焦后焦点半径：
（3）
焦点附近，光束横截面积为焦点处2倍的两个光束横截面之间的距离称为瑞利长度或焦深：
（4）
示意如图1.
图1.
1.2激光产生的基本原理
激光的英文名称是Laser，是“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的缩写，意思是“受激辐射的光放大”[4]。
顾名思义，它表示一种受激辐射光放大发射器，也表示受激辐射光放大发射光，简称受激光发射器或受激发射光或光激射器。
下面简单介绍下激光产生的原理。
1.2.1自然光的产生
普通光源的发光是由于原子能级的跃迁而产生的自发辐射，其辐射光频率（或波长）与跃迁能级之间的关系可以用下式表达
（5）
式中E2为上能级能量，E1为下能级能量，v为辐射光频率，h为普朗克常数。
这些发光原子是大量独立振子，振子的自发辐射光波不是单色的，不同振子发出的光波的相位也是随机变化的,所以自然光不是单频相干光。
这种由大量独立振子自发辐射产生的自然光只相当于一种光频范围的随机“噪声”，很难达到较高的相干光强。
从本质上讲，自发跃迁是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发辐射过程。
1.2.2激光的产生思路
1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。
1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：
当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。
由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源[5]。
那受激辐射是什么呢？
如果一个粒子受到光子的作用，该光子能量为hv=E2-E1，那么有可能发生这样一种情况，处于低能级E1的粒子会跃迁到一个高能级E2上。
该种变化成为受激吸收。
如图2.
而受激辐射是处于E2的粒子在自发辐射之前又受到一个能量为hv=E2-E1的光子作用，该粒子就会从E2跃迁到E1，并同时辐射出一个与该光子完全一样（频率，相位，传播方向，偏振方向均相同）的光子。
下面提出产生激光的构想：
假设在某一物质中，对应能态E2的集居数为N2，对应能态E1的集居数为N1,一个平面波对应的光子通量正沿着物质的轴向Z传播。
由于受激吸收和受激辐射而产生的光子通冕的改变为
它表示：
如果（N2-N1）>0,则dF/dZ>0,该物质起放大作用。
如果（N2-N1）<0,则物质总是起衰减做用。
在热平衡条件下，各能态的集居数是按玻尔兹曼分布，即（N2-N1）<0，所以物质总是以吸收为主。
但如果（N2-N1）>0，该物质的受激辐射作用大于受激吸收作用，该物质就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。
我们把这种特殊状态称之集居数反转，指与通常状态的集居数分布不同。
我们称这种具有集居数反转状态的物质为激光工作物质。
只有在外界的激励或泵浦下，才能使物质处于集居数反转状态，这种激励或泵浦过程是光放大的必要条件。
但对于很多物质受激辐射产生的高能态是不稳定的，这就使得该物质在受激辐射之前就可能发生了自发辐射，所以能用于激光产生的物质应当有稳定的高能态，而存在亚稳态的物质往往在亚稳态很稳定，适合产生激光。
在集居数反转的状态下，光沿着工作物质的轴向Z传播，能使光子通量增加，即由于受激辐射而得到放大，这个放大过程受到工作物质的限制，显然工作物质越长，光子通量增加越多。
但工作物质的长度不能无限增长，为了让有限长度的工作物质得到充分的利用，就引入两个反射镜构成谐振腔。
工作物质就在腔内，光在两个反射镜间反射时，多次通过工作物质，每通过一次就放大一次，光强就增加一次:
实际上，光强的增加正是由于高能态原子向低能态受激跃迁的结果。
也就是说，光放大正是以集居数翻转的减少为代价的，发出的激光越强，工作物质的集居数反转就变得越小，直至不能实现光的受激辐射放大为止，这时，谐振腔内的激光振荡也就停止。
由此可见，产生激光振荡的条件有两个：
一是存在集居数的反转，有稳定的亚稳态;二是光在腔内往返一次增益大于生，保证能量的持续输入。
只要有集居数能一直反转的工作物质就能实现光的受激辐射放大，只要加上反射镜构成谐振腔，相当于引进正反馈，就能实现激光振荡，从而输出更强的激光。
所以说激光器的最基本部分应该是一个受激辐射光振荡器，或受激辐射再生放大器。
二、激光焊接技术应用
1．工业激光器种类及应用特点
1.1CO2激光器
1.1.1CO2激光器的工作介质
工作介质为：
CO2,N2,He混合气体，比例：
6%，28%，66%；其中CO2分子负责受激辐射发射激光，N2分子负责将能量传递给CO2，He起到冷却作用，组织CO2分子升温。
1.1.2CO2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式与光束传播方向垂直；
轴流式：
工作气体在谐振腔中流动方式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：
直流升压——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；
折叠腔式：
内部光路增加折叠镜，增加激光的振荡强度以提高功率；
1.1.3Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生器。
下面具体介绍Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生器的特点和工作原理
（1）RofinDC0XX激光发生器的特点
RofinDCX00系列激光发生器具有：
结构紧凑、光束质量高、不需要气体冷却器、激光功率损失非常低、较高的热稳定性、气体消耗量低、不需要外部供气系统、没有气体流动，不存在谐振腔内光学元件污染问题、集成式自振荡射频发生器、可移动式激光头、维护费用低、无预热开机即可使用等特点。
（2）RofinDC0XX激光发生器的工作原理
1）CO2激光的激发过程
主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。
谐振腔上下两个极板通上高频，混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子与CO2
分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光。
2）Rofin扩散冷却板条式二氧化碳激光发生工作原理
CO2激光器是以二氧化碳气体作为工作介质的气体激光器。
在电极板（9）之间通上高频电压激励，混合气体通过该区域时放电，（镜子3与7形成光学谐振器）被镜子3与7谐振后产生激光，波长为10.6um的中红外波段。
经通道从1处射出，将激光引导到工件上，用来做焊接或切割用。
如图2所示[6]。
图2.
1.2固体激光器
1.2.1固体激光器分类
（1）根据工作介质分类
红宝石：
激活离子Cr3+，波长：
694.3nm，三能级；
Nd：
YAG：
激活离子：
Nd，波长：
1.06
，四能级；
（2）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，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上，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提高（几百千瓦），脉冲宽度：
100-500ns，频率：
几百-62kHz。
1.2.2盘式半导体泵浦YAG激光器
六十年代固体激光器的诞生和发展,诱发了光学应用技术的巨大革命,促进了物理学和相关学科的发展。
但从七十年代到八十年代,随着气体激光器和液体激光器的迅速发展,固
体激光器却受其低效率和热效应的影响,经历了挽长曲折的道路。
直到八十年代中后期,由
于高麟卒、紧凑、长寿命、稳定和全固态的DPL器件出现与发展,才使固体激光器回春,
出现复兴[7]。
先来说Nd：
YAG激光特点：
Nd：
YAG激光波长1.06
，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）组成的固体晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为碟状或片状。
工业应用的脉冲Nd：
YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出较高的功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的15倍。
盘式半导体泵浦YAG激光器具有以下优点：
热透镜效应小，可以用于高光束品质150
光纤传输；
940nm波长的泵浦源，转换率高可达18%，而且更为可靠；
激光波长为1030nm更为适用，不像10.6
的CO2激光器产生的激光只能用金属反射，市场上有很多玻璃镜片可以用于光线的传输，此外，也可以用光纤传输；
采用1个聚光腔就可以取代4个聚光腔；
不受材料反射的影响，可以使用更长的光纤。
1.3半导体激光器
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。
其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。
电注入式半导体激光器，一般是由GaAs（砷化镓），lnAs（砷化铟），InSb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射[8]。
它的优点如下：
体积小，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。
并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
1.4光纤激光器
光纤激光器是柔性的，可以机器人结合，完成高难度的空间焊接动作。
几种工业激光器的光束质量比较如图3.
图3.
2．激光焊接技术国内外应用现状
激光焊接技术的发展历经了固体受激物质→气体受激物质→固体受激物质、脉冲激光焊接→连续激光焊接、低功率→高功率、薄板→厚件、低速→高速、低频→高频及低效→高效的历史。
20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属于热传导型,即激光辐射加热工件表面,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、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。
由于激光焊接作为1种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,随着高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功,使其在机械制造、航空航天、汽车工业、造船工业、粉末冶金、生物医学、微电子行业等领域的应用越来越广[9]。
下面介绍国内和国外激光焊接技术的研究现状
目前,国内一些激光设备与生产单位主要生产kW级的CO2激光设备和1kW以下的固体YAG激光设备。
对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光-电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。
清华大学彭云等人分析了超细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点,进行了400MPa和800MPa2种超细晶粒钢的激光焊接试验,并与等离子弧焊接、MAG焊接进行了比较[10]。
无论是碳钢或经合金强化的高强度钢,还是通过特殊冶金加工的高强度钢,在快速加热和冷却的激光焊条件下,一方面接头的硬度大大高于母材,使接头易产生裂纹;另一方面激光的再热作用使HAZ出现软化区。
目前,对于高强度钢激光焊接性方面的研究还不足,其应用还缺少更多的数据,需进一步深入研究[11]。
国外以美国、欧盟、日本为首的工业发达国家非常重视激光技术的发展与应用,都将激光技术列入国家发展计划中,投以巨资。
仅就激光焊接这一加工技术,先后将其与航空工业、航天工业、核能设备、国防武器工业、造船工业、汽车工业、铁路车辆工业、机械零部件、电子工业、建材业及家电业等分别组合,利用集成和系统的工程方法进行经费资助,研究开发。
目前激光焊接技术已达到与传统产业相融合,将其制订为行业技术标准或工艺,成为一项成熟的技术[12]。
激光焊接技术的进展主要是美国在bender造修船有限公司成功完成了激光焊接系统焊接船体平面分段的试验。
该项目是在美国国家造船先进连接工艺计划、综合激光光学控制焊接项目计划和海军研究局小企业创新研究项目计划的共同支持下完成的[13]。
美国海军已采用激光技术用于军船制造,德国已大量采用大功率激光用于潜艇结构件或零部件连接,因此大力推广大功率激光造船技术是一项亟待解决的问题[14]。
由此看来，国内激光焊接技术基本还处在理论到生产的过度阶段，国外发展相对更快一些。
应用方面，激光焊应用领域逐渐扩大,主要应用于:
制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接应用、新材料激活激光焊接应用、航空航天工业、造船工业、其他领域如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接。
制造业领域激光拼焊技术在国外轿车制造中得到广泛的应用,据统计,2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条,年产轿车构件拼焊坯板7000万件,并继续以较高速度增长。
国内生产的引进车型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板结构。
日本在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸汽发生器细管的维修等,在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术[15]；电子工业领域,特别是微电子工业中也得到了广泛的应用。
在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示出独特的优越性。
在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。
传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05～0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,TIG焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多,而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用[16]。
航空航天工业，美国在20世纪70年代初的航空、航天工业中即已利用15kW的CO2激光器针对飞机制造业中的各种材料、零部件,进行焊接试验及评估工艺的标准化。
在欧盟国家中,意大利首先于20世纪70年代末从美国引进15kW的CO2激光器,随后由联盟对航空发动机、航天工业中的各种容器及轻量级结构立项,开展了长达8年的激光焊接应用研究。
材料涉及钛合金、镍基、铁基高温合金等。
近年来,新的应用成果是铝合金飞机机身的制造,用激光焊接技术取代传统的铆钉,从而减轻飞机机身的重量近20%,提高强度近20%,此项技术计划用于空中客车3l8、380以及一些无人驾驶飞机的制造[17]。
此外还有造船工业，汽车工业。
总而言之，激光焊接技术以其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,能广泛应用于各个行业，发展到今天，激光焊接技术其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转。
在未来的21世纪中,激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。
三、激光及激光填丝焊接实验报告
1．激光及激光填丝焊接原理与特点
激光焊接分为两种，热导焊和深熔焊。
其中深熔焊是大功率激光器将表面金属气化，形成匙孔而产生的深熔深的焊接，这两种方式最根本的区别在于：
前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。
传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵人；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔的产生[18]。
激光焊具有以下主要特点：
激光焊接最大的特点是选择适合的焊接材料和功率密度，可以得到稳定的焊接形态。
高能密度-匙孔深熔焊，对工件热影响小，即变形小，能够形成大深宽比的焊缝；能够高速焊接，焊接速度可达每分钟10m；与弧焊相比较，容易起停；与电子束焊接相比，能够在大气环境中焊接，而且无x光辐射；热影响区小，焊接精度高；自动化程度高，适合工业量产；
2．实验内容与现象分析
实验用KUKA机器人和光线激光器焊铝合金板和钢板，通过编写KUKA的指令，可以使机器人横向沿一条直线运动并进行焊接。
实验现象：
试件表面有耀眼亮斑，并随着焊接方向移动。
这因为产生了等离子体。
5、课程学习心得体会及意见
经过此次学习让我对激光焊接有了较为深入的了解，对于激光产生的物理原理：
受激辐射，激光器发生的条件：
持续的能量输入和能级反转，都有了比较深刻的理解，同时在写报告的过程中也解决了自己没有理解的部分，比如在谐振腔中，能级反转和受激辐射是怎样同时进行的，为什么在谐振腔中多次反射能够起到放大作用。
此外，实地操纵了焊接机器人和光纤激光器，并焊接了铝板和钢板，之后的金相制备都提升了自己的实验和动手能力。
意见是在焊铝板是激光器没有出光，在焊钢板时，出现了氧化。
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