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1、特种焊接与设备,讲解人：韩兆波,第二单元 激光焊,2.1 激光焊概述 2.2 激光焊设备与工艺2.3 典型材料的激光焊 2.4 激光安全与防护,综合知识模块,2.1 激光焊概述,激光焊（Laser Welding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。与传统焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透深、精度高、适应性强等优点。,2.1.1激光焊原理及特点（了解）,一、激光焊的原理激光是指激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。激光焊 实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为

2、反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。,二、激光焊的特点激光焊的优点：1.聚焦后的激光束功率密度可达105 107Wcm2。2.可获得深宽比大的焊缝，激光焊的深宽比目前已超过12:1，焊接厚件时可不开坡口一次成型。3.适宜于常规焊接方法难以焊接的材料，,4可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位；5.可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。6.激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。,激光焊的缺点：激光焊难以焊接反射率较高的金属；对焊件加工、组装、定位要求相对较高；设备一次性投资大。,2.1.2激光焊的分类（掌握）,按激光对工件的作用方式：脉冲激光焊和连续激光焊。,

3、2.1.3激光焊的应用（了解）,2.2.1激光焊设备（掌握）,激光焊设备主要由激光器、光学系统、光速检测器、焊枪、工作台、电源及控制系统、气源、水源、操作盘、数控装置等组成。,2.2 激光焊设备与焊接工艺,气体激光器：焊接和切割所用气体激光器大多是CO2激光器，其工作气体主要成分是CO2、N2和He气体。CO2激光器的特点：输出功率范围大。能量转换功率大大高于固体激光器。CO2激光波长为10.6um，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。,CO2激光器的分类：根据结构形式可将热加工应用的CO2激光器分为以下四种：密闭式、横流式、轴流式和板条式。,1.调整功率密度的主要方法有：调节输入激光

4、器的能量；调节光斑尺寸，即激光束与金属固体表面交叉面积的大小；改变光模形式，即改变光斑中能量的分布；改变脉冲宽度及前沿的梯度等。,一、激光焊的能源特性,2.2.2激光焊工艺（重点掌握）,2连续激光焊的工艺参数,（1）激光功率激光功率是指激光器的输出功率，没有考虑导光和聚焦系统所引起的损失。连续工作的低功率激光器可在薄板上以低速产生有限传热焊缝。激光功率主要影响熔深。,（2）光斑直径 在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了功率密度的大小。减小光斑直径比增加激光功率的效果更明显。,（3）离焦量 离焦量是工件表面至激光焦点的距离，以F 表示。,（4）保护气体,深熔焊时，保护气体有两个作用：一是保护焊

5、缝金属免受有害气体的侵袭，防止氧化污染；二是抑制等离 子体的负面效应。,2.3.1钢的激光焊（重点掌握）,一、碳素钢和低合金钢的焊接 二、不锈钢的焊接 三、硅钢的焊接,2.3 典型材料的激光焊,1碳当量超过0.3%时，焊接的难度就会增加，冷裂敏感性增大，材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向也随之增加。（1）预热或后热；（2）采用双光束焊接，一束聚焦，另一束散焦；（3）在保证熔深的条件下，尽量采用较低的功率和焊接速度。,一、碳素钢和低合金钢的焊接,2当高碳材料和低碳材料焊接时，采用偏置焊缝形势有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。3镇静钢和半镇静钢的激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了硅、铝等

6、脱氧剂，使钢中的含氧量降到很低程度。4硫、磷含量超过0.04%的钢激光焊接时易产生热裂纹。5对于搭接结构的镀锌钢，一般很难采用激光焊接。,二、不锈钢的焊接,不锈钢的激光焊接性能较好。奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高。因此，奥氏体不锈钢能获得比普通碳钢稍微深一点的熔深（约深5%10%左右）。Cr-Ni系不锈钢激光焊时，材料具有很高的能量吸收率和熔化效率。,激光焊焊接铁素体不锈钢时，焊缝塑性和韧性比采用其他焊接方法时要高。不锈钢的激光焊，可用于核电站中不锈钢管、核燃料包等的焊接，也可用于化工等其他工业部门。,2.3.2非铁金属的激光焊（掌握）,一、铝合金的激光焊 二、钛合金

7、的激光焊 三、高温合金的激光焊,一、铝合金的激光焊,铝合金激光焊常采用深熔焊方式，焊接时的主要困难是它对激光束的高反射率和自身的高导热性。铝及铝合金激光焊时，随温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧升高，焊缝中多存在气孔，深熔焊时根部可能出现空洞，焊道成形较差。,采用激光焊接铝及铝合金时，除了能量密度的问题，还有三个很重要的问题需要解决：气孔、热裂纹和严重的焊缝不规则性。铝合金对激光的强烈反射作用，使焊接十分困难，必须采用高功率的激光器才能进行焊接。,二、钛合金的激光焊,钛合金具有高的比强度，良好的塑性及韧性，较高的抗腐蚀性，是一种优良的结构材料。钛元素化学性质活泼，对氧化很敏感，对由氧气、氢气、氮

8、气和碳原子所引起的间隙脆化也很敏感，所以要特别注意接头的清洁和气体保护问题。,三、高温合金的激光焊,激光焊可以焊接各类高温合金，包括电弧焊难以焊接的A1、Ti含量高的时效处理合金，而且都可获得性能良好的接头。用于高温合金焊接的激光发生器一般为脉冲激光器或连续CO2激光器，功率为150kW。激光焊用的保护气体，推荐采用氦气或氦气与少量氢的混合气体。,2.3.3异种材料的激光焊（了解）,铜-镍、镍-钛、钛-铝、低碳钢-铜等异种金属在一定条件下均可进行激光焊接。激光还可以焊接陶瓷、玻璃、复合材料等。焊接陶瓷时需要预热以防止裂纹产生，一般预热到1500，然后在空气中进行焊接，通常采用长焦距的聚焦透镜；

9、为了提高接头强度，也可填加焊丝。焊接金属基复合材料时，易产生脆性相，这些脆性相会导致裂纹以及降低接头强度。,2.4.1激光的危害（了解）,焊接和切割中所用激光器输出功率或能量非常高，激光设备中又有数千伏至数万伏的高压激励电源，能对人体造成伤害。激光安全防护的重点对象是眼睛和皮肤。此外，也应注意防止火灾和电击等，否则将导致人身伤亡或其他一些危害极大的事故。,2.4 激光安全与防护,一、对眼睛的伤害,1受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果最严重。即使是数毫瓦的He-Ne激光，虽然功率小，但由于人眼的光学聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。,2在激光加工时由于工

10、件表面对激光的反射，也会造成伤害。强反射的危险程度与直接照射相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的结果。因此在激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。,二、对皮肤的伤害,皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大，会造成严重烧伤。长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮癌等病变。,三、其他方面,激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光焊时，材料受激烈加热而蒸发、汽化，产生各种有毒的金属烟尘。高功率激光加热时形成的等离子云会产生臭氧，对人体也有一定损害。长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。同时激光器中还存在着

11、数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。,一、一般防护,1在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等。设备应有各种安全保护装置。2激光光路系统应尽可能全封闭。例如让激光在金属管中传递，以防直接照射的发生。激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼，头等重要器官。激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。3激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙，屏风等，防止无关人员误入危险区。,2.4.2激光的安全与防护（了解）,二、人身防护,1激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响；2只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。3焊接区应配备有效的通风或排风装置。,课后作业,随堂笔记（标清序列号）,