求作业答案：利用激光束来切割金属_百度知道
求作业答案：利用激光束来切割金属
利用激光束来切割金属;& ]
A．相干性好的特点
B．方向性好;&nbsp，是利用激光的
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焊接课件——第一章焊接与切割基础知识
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免费下载第五篇!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!高能束焊方法及设备第五篇! 高能束焊方法及设备第二章! 激光焊与切割激光是 &# 世纪最伟大的发明之一， 世界上第一台激光器问世于
$%&# 年， 激光焊接是 当今先进的制造技术之一。与一般的焊接方法相比， 激光焊有如下特点： $） 聚焦后的功率密度可达 $# ’ ( $# ) * + ,-& ， 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。 &） 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 前已达 $& . $， 不开坡口单道焊接钢板的厚度已达 ’#--。 /） 适宜于难熔金属、 热敏感性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。 0） 可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。 ’） 可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位， 123 激光 波长$4 #& （ 还可用光纤传输， 可达性好。 !-） &） 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。 )） 不需真空室， 不产生 5 射线， 观察及对中方便。 激光焊的不 足 之 处 是 设 备 的 一 次 投 资 大， 高 反 射 率 的 金 属 直 接 进 行 焊 接 比 较 对 困难。 目前， 用于焊接的激光器主要有两大类， 气体激光器和固体激光器， 前者以 67& 激光 器为代表， 后者以 123 激光器为代表。根据激光的作用方式激光焊接可分为连续激光 焊和脉冲激光焊。随着设备性能的不断提高、 结构的日益复杂， 对接头性能和变形要求 越来越苛刻， 许多传统的焊接方法已不能满足要求， 因而， 激光焊接在许多场合具有不可 替代的作用。8&&标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备第一节! 激光产生的基本原理一、 能级与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， 但内能的变 化是不连续的， 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， 向外界释放能量。若吸收或释放的能量是光能， 则称此跃迁为辐射跃迁。 当粒子从高能级 !& 向低能级 !# 辐射跃迁时， 辐射光子的能量 ! 等于两个能级之 差， 即 ! $ !& % !# $ &! 式中! &――普朗克常数； ― ― !――光波频率。 当粒子吸收的外来光子的能量恰好等于其两能级的能量之差时， 则从其低能级跃迁 到高能级。 根据量子力学的观点， （ 原子或分子） 粒子 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表现出来的， 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。 （& % & % #）二、 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 粒子吸收光能而实现能级跃迁； 碰撞激发是粒子与其他电子或受激粒子经碰撞、 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 !& 的粒子， 如受到一个能量恰为 &! $ !& % !# 的光子作用后， 跃迁到低能级 （ 相位、 传播方向和偏振方向均相同） 的 !# 并同时辐射出一个和入射光子完全一样 频率、 受到能量恰巧为 光子的过程称为受激辐射。而受激吸收则是指处于低能级 !# 的粒子， (&’第五篇! 高能束焊方法及设备!! & &# $ &% 的光子作用且吸收该光子并跃迁到高能级 &# 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， 出现了两个完全相同的光子， 即受激辐射起到了光放大的作用。三、 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。 典型的三能级系统激光工作物质是掺有铬离子的红宝石晶体， 典型的四能级系统激 （ 等， 光工作物质有钕玻璃和 &’( ) * +,- 掺钕钇铝石榴石） 典型的类四能级系统激光工 作物质， ./ $ &/ 系统以及 01# 系统等。 如四、 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 的速率足够大， 就可打破热平衡状态时的粒子分布情况， 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他粒子的受激辐射， 如果反转的粒子数密度超过 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 4# 阈 ， 轴不平行的光很快逸出腔外， 而与谐振腔轴平行的光则在腔内来回反射， 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， 整个形成过程的示意图见图 2 $ # $ %。五、 激光的纵模与横模在谐振腔里， 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 种驻波成为一个纵模， 相邻纵模的频率间隔 4#3标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %! 激光振荡在形成过程4! & 式中! !――光速； ― &――激光工作物质的折射率； ― #――谐振腔的腔长。 ―! $&#（& # $ # $）横模是指在与腔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。现以平行平面腔为例进行分析。若两镜的口径为 $$， 间距为 #， 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、 五次…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， 经许多次衍射后最后形成了如 图 & # $ # $ 所示的光场分布， 它的主要特点是边缘部分的光强很小， 而圆孔中心线附近 的光强大。图 & # $ # $! 衍射对槽模形成的影响激光的横模用 ’() %& 来表示， ’() 是 ’*+,-./*- (0/12*34+5,/261 )37/ 的缩写， & 称 %、 为横模序数。当横模为轴对称时， 表示 & 轴方向出现极小值的次数， 表示 ’ 轴方向出 % & 现极小值的次数， 见图 & # $ # 8+ 9 图 & # $ # 87； 当横模为旋转对称时， 表示在半径方向 % 出现极小值 暗环） （ 的次数， 表示在 $ ! 角度内出现极小值 暗直径） & （ 的次数， 见图 & # $ :$&第五篇! 高能束焊方法及设备& #$ % 图 & & ’ & #(。图 & & ’ & #! 典型的槽模图形!、 均为零时， & 称为基模； ! ) *， ) + 或 ! ) +， ) * 时， 当 & & 称为低阶模， 其他的则称 为高阶模。基模能量集中， 光场分布较均匀， 方向性也好； 高阶模的面积比低阶模的大。六、 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。 （+） 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， 如经适当的光学系统扩束， 发散角还可进一步降低。 设 # 为激光传播方向上的一块球面， 球面面积为 $， 球面的曲率半径为 %， 它所对应 的立体张角为 !， 发散角为 &， 如图 & & ’ & 1 所示。由于 !) $ %’ （& & ’ & #）’ ’ （ 当 & 很小时， +! % 234&）+! %&）， $ （ 所以 !+#&’若 & ) +* & # ./0 时， ) ! 5 +* & 6 2.。这说明激光器只向数量级为 +* & 6 2. 的立体角空间 ! 传播， 而不像普通光源那样向很大的空间传播。图 & & ’ & 1! 光源的立体张角激光良好的方向性对其聚焦性有重要影响， 由引言公式 （1） ) ’& 可知， & 微小的发散 角可使聚焦后的束斑直径很小。 （’） 亮度高! 若光源的发光面积为 &7， 4( 时间内向法线方向上立体角为 4! 的 在 空间发射的能量为4)， 则光源在该方向上的亮度 8’6标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备!& !& !#!&!$ （# $ % $ &）激光束的立体发散角一般为 ’( $ ) *+， 所以激光的亮度要比普通光源高百万倍。也可 看出， 在其他条件不变情况下， 光源的功率 !& , !$ 越大， 其亮度也越高， 有些脉冲激光器 甚至更短， 这样亮度就更高了。 的光脉冲持续时间可压缩至 ’( $ - . ’( $ ’% *， （/） 单色性强! 单色性是指光波的频率宽度4! 很小， 或者说波长的变化范围 4# 很 小， 激光的单色性比普通光源的好万倍以上。 （&） 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。 上述的激光的四个特性本质上可归为一个特性， 既相干性。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高度集中， 因而是进行焊接和切割的 理想热源。第二节! 激光焊接设备一、 激光焊接设备的组成图 # $ % $ # 是激光焊接设备组成框图。图 # $ % $ #! 激光焊接设备的组成’―激光器! %―光学系统! /―激光加工机 &―辐射参数传感器! #―工艺介质输送系统 )―工艺参数传感器! 0―控制系统 1―准直用 23 $ 43 激光器! -―工件（’） 激光器! 激光器是激光焊接设备中的重要部分， 提供加工所需的光能。对激光 器的要求是稳定、 可靠， 能长期正常运行。对焊接和切割而言， 要求激光的横模最好为低 1%0第五篇! 高能束焊方法及设备阶模或基模， 输出功率 连续激光器） （ 或输出能量 脉冲激光器） （ 能根据加工要求进行精 密调节。 （&） 光学系统! 光学系统用以进行光束的传输和聚焦。进行直线传输时， 通道主要 是空气， 在进行大功率或大能量传输时， 必须采取屏蔽以免对人造成危害。在激光输出 快门打开之前， 激光器不对外输出。在小功率系统中， 聚焦多采用透镜， 在大功率系统中 一般采用反射聚焦镜。 （#） 激光加工机! 加工机用以产生工件与光束间的相对运动。激光加工机的精度对 焊接或切割的精度影响很大。 根据光束与工件的相对运动， 加工机可分为二维、 三维和五维。二维的在平面内 ! 和 & 两个方向运动， 三维的增加了与 ! $ & 平面垂直方向上的运动； 五维的则是在三维的 基础上增加了 ! $ & 平面内 #%&’的旋转以及 ! $ & 平面在 # 方向 ( )*&’的摆动。 辐射参数传感器! 主要用于检测激光器的输出功率或输出能量， 并通过控制系 （+） 统对功率或能量进行控制。 （,） 工艺介质输送系统! 焊接时该系统的主要功能有： )） 输送惰性气体， 保护焊缝。 &） 大功率 -.& 焊接时， 在熔池上方产生蒸汽等离子体， 该等离子会对光束产生反射、 吸收和散射， 减小能量利用率， 使熔深变浅， 这时， 输送适当的气体可将焊缝下方的等离 子体部分吹走。 #） 针对不同的焊接材料， 输送适当的混合气以增加熔深。 （%） 工艺参数传感器! 主要用于检测加工区域的温度、 工件的表面状况以及等离子 体的特性等， 以便通过控制系统进行必要的调整。 （/） 控制系统! 主要作用是输入参数并对参数进行实时显示、 控制， 另外， 还有保护 和报警等功能。 （*） 准直用 01 $ 21 激光器! 一般采用小功率的 01 $ 21 激光器， 进行光路的调整和 工件的对中。 以上是激光焊接设备的典型组成， 实际上， 由于应用场合不同， 加工要求不同， 上述 的 * 个部分不一定一一具备， 各个部分的功能也差别很大， 在选用设备时可酌情而定。二、 & 气体激光器 -.根据气体流动的特点， & 激光器分为密封式、 -. 轴流式、 横流式和板条式 3456） （ 四种。 它由放 密封式 -.& 激光器! 典型的密封式 -.& 激光器结构如图 , $ & $ % 所示， （)） 电管、 谐振腔以及激励电源等组成。放电管用玻璃或石英制成， 为多层式套管结构。最 内层为放电毛细管， 最外层为贮气管， 管内贮有 -.& 、 & 和 01 的混合气， 2 内外两管经回气 管相通； 中间一层为冷却管， 工作时通水或其他冷却剂以对放电毛细管进行冷却。谐振 *&*标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备腔的一端为平面反射镜 全反射） 另一端为凹面反射镜 输出镜） 加在阴极和阳极上的 （ ， （ ， 直流高压使气体产生辉光放电并使电子得到加速。这类激光器的转换效率约为 &# 左 右， 为了增大输出功率并减小体积， 可采用折叠腔将放电管串联起来， 也可将两放电管并 联起来。图 $ % & % ’! 密封式 ()& 激光器结构示意图*―平面反射镜! &―阴极! +―冷却管! ,―贮气管 $―回气管! ’―阳极! -―凹面反射镜 &―进水口! .―出水口! */―激励电源（&） 轴流式 ()& 激光器! 这类激光器的主要特点是气体流动方向、 放电方向以及激 光的输出方向三者一致。根据气流速度的大小， 又可分为慢速轴流和快速轴流两种。图 $ % & % - 是快速轴流 ()& 激光器示意图， 它由放电管、 谐振腔 包括后腔镜和输出镜） 高 （ 、 速风机以及热交换器等组成。放电管内可有多个放电区， $ % & % - 中所示为 , 个， 图 高压 直流电源在其间形成均匀的辉光放电， 通常正极位于气流的上游， 负极位于下游。为了 提高激光器的输出功率， 可增大气体的流速。有的气体速度已接近声速， 这时， 每米放电 这种 管可获得 $// 0 &///1 的激光功率。这类激光器的输出模式为 234// 模和 234/* 模， 模式特别适宜于焊接和切割。图 $ % & % -! 快速轴流 ()& 激光器示意图*―后腔镜! &―高压放电区! +―输出镜 ,―放电管! $―高速风机! ’―热交换器（+） 横流式 ()& 激光器! 横流式 ()& 激光器的结构原理如图 $ % & % & 所示。它由密 封外壳、 谐振腔 包括后腔镜、 （ 折叠镜、 输出镜） 高速风机、 、 热交换器以及放电电极等组 成。它的光束、 气流和放电的三个方向相互垂直， 气体激光介质用高速风机连续循环地 送入谐振腔， 气体直接与热交换器进行热交换。这类激光器的气压大， 气体密度高， 气流 &&.第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %! 横流式 &’$ 激光器示意图(―平板式阳极! $―折叠镜! )―后腔镜! *―阴极 &―放电区! +―密封壳体! ,―输出反射镜 %―高速风机! -―气流方向! (.―热交换器流通截面也较大， 流速快， 所以冷却效果好， 允许输入大的电功率， 每米放电管的输出功 率可达 $ / )01。 横流式 &’$ 激光器由于输出功率高， 其谐振腔的全反镜常用金属材料 例如铜） （ 作基 板， 表面镀以性能稳定的金属如金、 铝等。输出镜则用可透过 (.2 + !3 红外光的材料， 银、 如 45&6、 7&6、 859:、 &;&=、 &?@= 等制成。 放电电极分别处在谐振腔的下方和上方， 电极结构可分为管板式和针板式两种。在 管板式结构中， 阴极为表面抛光的水冷铜管， 上面均匀地布有一排细铜丝触发针， 它将阴 极放电产生的电子不断地输送到主放电区， 以保持辉光放电的稳定性； 阳极为分割成许 多块的铜板， 相邻的铜板间填充绝缘介质， 并用水进行冷却。在针板式结构中， 阳极为水 冷纯铜板， 阴极为数排铼钨针 约几百支） 每只针都接有几十千欧的镇流电阻， （ ， 以保持放 电的均匀性。 （*） （ @65A） &’$ 激光器! 图 & # $ # - 是板条 @65A） &’$ 激光器原理图。该 板条 式 （ 式 （ 激光器被国际工业界誉为工业 &’$ 激光器新的里程碑。其主要特点是光束质量极好 ! B .2 %） 消耗气体少 ， （.2 )C D E） 运行可靠、 ， 免维护、 运行费用低， 商品型 @65A 激光器的功 率已达 )&..1。三、 F98 固体激光器（(） 固体激光器的基本结构! 图 & # $ # (. 是固体激光器基本结构示意图。激光工 作物质 $ 又称激光棒） （ 是激光器的核心， 全反射镜 ( 和部分反射镜 * 组成谐振腔， 为泵 % 浦灯， 固体激光器一般都采用光泵抽运， 可用氙灯或氪灯。聚光腔 ) 用以将泵浦源发出 的光通过反射， 尽量多地照射到激光棒上以提高效率， 并可使泵浦光在激光棒表面分布 %).标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %! 板条 &’()） *+$ 激光器原理图 （ 式,―激光束! $―光束整形器! -―输出键! .―冷却水 &―射频激励! /―冷却水! 0―后腔镜 1―射频激励放电! %―波导电极均匀， 形成较好的光耦合， 提高输出激光的质量。理想的激光腔为椭圆形， 泵浦灯和激光 棒分别放在两个焦点上， 聚光腔反射面镀有金膜或银膜， 并进行抛光， 以提高反射率。高 压充电电源 / 用以对电容器组 0 充电， 充电电源常设计为恒流充电， 并具有参数预置、 自 动停止以及手工放电等功能。触发电路发出触发脉冲后， 已充电的电容器组通过泵浦灯 放电， 电能部分转换为光能。图 & # $ # ,2! 固体激光器基本结构示意图,―全反射镜! $―激光工作物质 激光棒） （ -―聚光腔! .―部分反射镜! &―触发反射镜 /―高压充电电源! 0―电容器组! 1―泵浦灯在钇铝石榴石 ’786:78 ;(5:&4） （ 单晶里掺入适量的三价钕离子 =&- ? ） （ 便构 它 成了掺钕钇铝石榴石晶体， 常表示为 =&- ? @ 39;。钇铝石榴石的化学式为 3- 9’& +,$ ， 3 是由 3$ +- 和 9’$ +- 按摩尔比为 - @ & 化合生成的。在它的结晶点阵上， - ? 按一定的规 律排列， 当掺入 =&$ +& 后， 点阵上原来的 3- ? 部分地被 =&- ? 所代替， 形成了淡紫色的 =&- ? @ 39; 晶体。=&- ? @ 39; 的主要优点是易于实现粒子数反转， 所需的最小激励光 强比红宝石小的多。同时， 掺钕钇铝石榴石晶体具有良好的导热性， 热胀系数小， 适宜于 在脉冲、 连续和高重复率三种状态下工作， 是目前在室温下唯一能连续工作的固体激光 工作物质。它的光泵可采用氙灯或氪灯， 连续工作时常用氪灯泵浦， 由于氪灯发射的波 1-,第五篇! 高能束焊方法及设备长为 &# $% !& 和 &# ’ !& 的光谱线最强， 这正好与 ()* + 的强吸收带相匹配， 故效率可达 *, - ., 。为了提高 ()* + / 012 激光器的连续输出功率， 可以多棒串联， 见图 % 3 4 3 55， 目前， 这种结构的激光器输出功率已达 % &&&6。 （4） 典型 012 激光焊机光路系统! 图 % 3 4 3 54 是典型的 012 激光焊机光路系统。 系统由三大部分组成： 为激光振荡部分； 为能量检测及扩束部分； 为观察及聚焦 ! & # 部分。 调节光脉冲能量时光闸 55 闭合， 光能被吸收器 54 吸收。很少量的光能经分光镜 ’ 反射后， 被能量探测器 7 接收， 进而显示出能量的大小。保护玻璃 58 用以遮挡焊接时的 飞溅， 以免聚焦镜 5% 被损坏。图 % 3 4 3 55! 多级串联高功率 ()* + / 012 激光器结构示意图5、 *、 4、 .―()* + / 012 棒! %、 $、 8、 ’―电源 7―控制器! 5&―全反镜! 55―部分反射镜四、 其他激光器可用于激光焊接的其他激光器还有 9: 激光器、 半导体激光器、 准分子激光器等。 （5） 激光器! 9: 激光器输出波长约为 %; * !&， 9:4 激光器输出波长的一半， 9: 是 因此， 被金属吸收的性能好。其他条件相同的情况下， 聚 发散角也为 9:4 激光器的一半， 总效率可达 *&, ， 并已实现了 焦后的功率密度是 9:4 激光的 . 倍。9: 激光器的效率高， 因此， 设备成本和运行 高于 5&&6 的功率输出。其主要缺点是只能运行于低温深冷状态， 费用高。 （4） 半导体激光器! 在这类激光器中以半导体二极管激光器最为重要， 其最简单的 形式是 = 3 ( 结型跃迁， 其工作物质为半导体， 可采用简单的注入电流的方式来泵浦， 当 提供一个足够大的直流电压时， 就可产生粒子数反转。半导体二极管激光器的主要优点 ， 电能与光能的转换比极高， 激光器体积 是激光波长短 （&; ’% - 5; 8% !&） 可用光纤传输， 小， 其输出功率已达 *&6。 （*） 准分子激光器! 所谓准分子， 是因为其在激发态为分子， 而在基态则离解为原 子， 正因为如此， 准分子激光的下能级总是空的， 容易实现离子数反转， 效率很高。 约 准分子激光的波长短、 能量高， 输出紫外超短脉冲激光， 波长范围为 57* - *%5&&， 单光子能量比大部分分子的化学键能 是 012 激光波长的 5 ? % 和 9:4 激光波长的 5 ? %&， ’*4标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %$! 典型的 &’( 激光焊机光路系统%―准直用 )* # +* 激光器! $―反射镜! ,―泵浦灯! -―&’( 棒! &―尾镜! .―输出镜 /―光栅! 0―分光镜! 1―能量探测器! %2―扩束器! %%―光闸! %$―光能吸收器 %,―调节器! %-―反射镜! %&―聚焦镜! %.―保护玻璃! %/―观察镜! %0―喷嘴都要高， 故能直接深入材料分子内部进行加工， 其加工机理是基于光化学作用， 在非放热 效应下进行， 因此， 材料变形极小。 准分子激光器的另一特点是可调谐。目前， 准分子激光器的功率输出水平在实验室 已达千瓦级。五、 （ 含切割） 焊接 用激光器的特点为了便于比较， 现将主要的焊接用激光器的特点加以比较， 见表 & # $ # %。表 & # $ # %! 焊接 含切割） （ 用激光器的特点 激光器 红宝石激光器 钕玻璃激光器 &’( 激光器 （ 钇铝石榴石） 密封式 ;&$ 激光器 横流式 ;&$ 激光器 快速轴流式 ;&$ 激光器 波长 3 !4 26 .1-, %6 2. %6 2. %26 . %26 . %26 . 振荡方式 脉冲 脉冲 脉冲 连续 连续 连续 连续、 脉冲 重复频率 3 )5 2 7% 2 7 %2 2 7 -22 ― ― 2 7 &222 输出功率或 能量范围 % 7 %228 % 7 %228 % 7 %228 2 7 $9: 2 7 %9: 2 7 $&9: 2 7 .9: 主要用途 点焊、 打孔 打孔 点焊、 点焊、 打孔 表面处理 焊接、 切割、 表面处理 焊接、 切割、 表面处理 焊接、 切割 焊接、0,,第五篇! 高能束焊方法及设备第三节! 激光焊接原理及分类一、 激光焊接分类根据激光对工件的作用方式， 激光焊接可分为脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲焊接 时， 输入到工件上的能量是断续的、 脉冲的。脉冲激光焊中大量使用的脉冲激光器主要 是 &#$ 激光器。&#$ 激光器适用的重复频率宽。此外还可将连续输出的 &#$ 激光器 最简单的办法就是打开或关闭装在激光器上的光闸。 和 %&’ 激光器用于脉冲焊接， 根据实际作用在工件上的功率密度， 激光焊接可分为热传导焊接 功率密度小于 （ 和深熔焊接 功率密度大于等于 () * + , -.’ ） （ 。 () + , -.’ ） 热传导焊接时， 工件表面温度不超过材料的沸点， 工件吸收的光能转变为热能后， 通 过热传导将工件熔化， 无小孔效应发生， 焊接过程与非熔化极电弧焊相似， 熔池形状近似 为半球形。 深熔焊接时， 金属表面在光束作用下， 温度迅速上升到沸点， 金属迅速蒸发形成的蒸 汽压力、 反冲力等能克服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等而形成小孔， 激光束 可直接深入材料内部， 因而能形成深宽比大的焊缝。图 * / ’ / (0 为激光深熔焊接示 意图。*图 * / ’ / (0! 激光深熔焊接示意图二、 激光焊接原理激光焊接实质上是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 201标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备是一个量子过程， 宏观上则表现为反射、 吸收、 加热、 熔化、 气化等现象。 （&） 光的反射及吸收! 当光束照在清洁磨光的金属表面时， 一般都存在着强烈的反 射。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 即电导 （ 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， 还与金属中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， 对于同一金属， 波长越短， 反射率越低， 吸收率越高。 当能量为 !# 的激光照射到材料表面时， 部分能量被反射， ! $ 表示； 用 部分能量被吸 对透明材料， 还有部分被透射， ! & 表示， 用 则 收， ! % 表示； 用 !# ’ ! $ ( ! % ( ! & 亦可表示为 & ’ !$ !% !& ( ( !# !# !# （) * + * )） （) * + * ,）’ !$ ( !% ( !& ― 式中! ! $ ――反射率； ― ! % ――吸收率； ― ! & ――透射率。 则有 对于不透明的材料， & ’ #， ! & ’ !$ ( !% 当激光垂直入射时， 金属表面反射率+ （ & * &） ( #+ !$ ’ + （ & ( &） ( #+（) * + * -）（) * + * .）式中! &――折射率； ― #――金属表面的吸收系数。 ― 材料处于真空且表面无氧化膜时， 金属对激光的吸收率可近似表示为 ［ 1 （ ） + !（ $） #/ 0,) !（& ( & & * +#） 2 !］ + % ――金属材料在温度 $ 时对波长为 # 的激光器的吸收率； 式中! !（ $） ― % ― （ ； ! 1 ――金属材料在 +#4 时的电阻率 &?5） ― （ &――电阻温度系数 4 $――温度 4 ） ― （ ； ― （ 。 # ――激光波长 5） 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 电子间也在不断地互相碰撞。每个电子两次碰撞间的平均时间间隔为 &# * &0 6 的数量级， 因此， 吸收了光子而处于高能级的电子将在与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 .0)*&&（) * + * 3）） ；第五篇! 高能束焊方法及设备表面及内部温度。 （&） 材料的熔化及气化! 激光焊接时， 材料达到熔点所需时间为微秒级； 脉冲激光焊 接时， 当材料表面吸收的功率密度为 #$ % & ’ ()* 时， 达到沸点的典型时间为几毫秒； 当功 率密度大于 #$ + & ’ ()* 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， 蒸汽压力和蒸汽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， 它有助于对光束能量的吸收， 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， 见图 % , * , #-， 激光束照射 到孔壁上后， 经多次反射而达到孔底， 最终被完全吸收。图 % , * , #-! 壁聚焦效应（-） 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 此后， 小孔后方液体金属由于传热的作用， 温度迅 处形成如图 % , * , #% 所示的大旋涡， 速降低， 液体金属很快凝固形成焊缝。图 % , * , #%! 小孔内液体金属的流动#―焊接方向! *―激光束三、 激光焊接过程中的几种效应（#） 等离子体的负面效应! 激光焊接时， 被焊材料不仅熔化、 蒸发， 而且还会和保护 气体一起被电离， 在熔池上方形成等离子云。所以， 激光焊接过程实质上也是入射激光、 保护气体、 等离子体以及被焊材料四者之间相互作用的过程。 等离子体的折射率小于 #， 它是比真空还光疏的物质， 激光入射到等离子云上时， 会 .&+标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备产生折射、 反射、 吸收， 极端情况下甚至会产生全反射。 等离子体对 &#$ 激光的折射角为 !% ― 式中! ! , ――等离子体的电子密度； #――激光通过等离子体的长度； ― $――等离子体柱的半径。 ― 等离子体对激光的吸收系数 采用 &#$ 激光焊接钢材料时，+ .$ & % ’% -. & ’(!& # ? $ & ’( ’) $（* + $ + ’(）!$ + ’% .- & ’( . & ） （ & ’ + ,/0 && &(% * &[]（* + $ + ’’）式中! ! & ――电子密度； ― ― & & ――电子温度。 等离子体由电子、 离子、 原子或分子组成， 在库仑力的作用下， 会形成电子和离子的 集体振荡， 其电子振荡角频率 # ’& % ― 式中! ! & ――电子密度； &――电子电量； ― ― ( & ――电子质量； ― $( ――真空介电常数。 当入射激光的角频率 #&# ’& 时， 则产生全反射。显然， 熔 随着 ! , 的增加， ’& 亦增加， # 池上方产生的等离子云就像带通滤波器那样， 只有角频率高于等离子体电子振荡角频率 的激光才能通过。 （$） 对焊缝金属的净化效应! 金属中往往含有 1、 #、 等非金属杂质， 2、 3 它们或者独 立存在于金属基体中， 或者固溶在金属基体中。受到激光照射时， 由于非金属的吸收率 远远大于金属， 故独立存在于金属基体中的杂质随温度的迅速上升而逸出熔池； 而固溶 在金属基体中的杂质也由于其沸点低、 蒸汽压高而很容易地从熔池中逸出， 结果是减少 了焊缝中的有害元素和杂质， 提高了焊缝的塑性和韧性。 （.） 壁聚焦效应! 壁聚焦效应前已提及， 它是指深熔焊接时， 由于熔池小孔出现， 激 光束深入小孔内部， 小孔壁对激光多次吸收、 反射， 最终在小孔底部形成较高的激光功率 密度， 并被全部吸收的作用。!! & &$ ( & $(（* + $ + ’$）四、 激光焊接等离子体负面效应的抑制抑制激光焊接等离子体负面效应的方法有： 5.4第五篇! 高能束焊方法及设备（&） 侧向下吹气法! 在熔池小孔上方， 沿侧下方吹送保护气体， 其作用是， 一方面吹 散电离气体， 另一方面还有对熔化金属的保护作用。大功率焊接时， 一般吹送 #$ 气， 因 为 #$ 元素位于元素周期表的最右上角， 电离势高， 不易电离。 （%） 同轴吹送保护气体法! 与侧向下吹气相比， 该方法可将部分等离子体压入熔池 小孔内， 增强对焊缝的加热。 （&） 双层内外圆管吹送异种气体法! 喷嘴由两个同轴圆管组成， 外管通 #$ 气， 内管 内管的 ’( 气可将等离子体抑制 通氩气。外管 #$ 气有益于减弱等离子体以及保护熔池， 于蒸发沟槽之内， 此方法适用于中等功率的 )*% 激光焊接。 （+） 光束纵向摆动法! 此方法利用光束的移动来避开等离子体。当光束在起始位置 时， 等离子体云很小， 激光深入内部， 小孔向深处发展； 然后， 光束与工件以相同的速度移 动， 激光停留于工件上的一点， 熔化继续向深处发展； 随着熔深的增加， 等离子体云逐渐 增多， 在产生大量的等离子体云之前， 光束迅速移开， 重新开始深熔过程。 （,） 低气压法! 该方法的原理是， 光束周围压力低时， 气体的密度小， 等离子体云中 的电子密度小， 因而减小了等离子体的不良影响。此方法需要真空室。 （-） 侧吸法! 吸管置于激光束与工件的作用点附近， 吸管与工件表面成一定角度， 吸 管接抽气机， 从而在工件表面形成局部低压， 减小了等离子体的体积和电荷数量。 （.） 外加电场法! 在熔池上方的等离子体区域两侧， 加一直流电场， 使等离子体内 正、 负电荷向两侧运动， 减小对激光的散射和吸收。 （/） 外加磁场法! 其原理是基于电荷受磁场作用时， 在洛仑兹力的作用下产生旋转， 适当的磁场可降低激光束通道上的电子密度， 进而减小了对激光的散射和吸收。第四节! 激光深熔焊接激光深熔焊接时， 能量转换是通过熔池小孔完成的。小孔周围是熔融的液体金属， 由于壁聚焦效应， 这个充满蒸汽的小孔犹如 黑体” 几乎全部吸收入射的激光能量， “ ， 总 之， 热量是通过激光与物质的直接作用而形成的， 而常规的焊接和激光热传导焊接， 其热 量首先在工件表面聚积， 然后经热传导到达工件内部， 这是激光深熔焊接和热传导焊接 的根本区别。一、 激光深熔焊接设备的选择激光深熔焊接时， 选择激光器主要考虑的因素是： （&） 较高的额定输出功率； /&/标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备（&） 宽阔的功率调节范围； （#） 功率渐升、 （ 衰减） 渐降 功能， 以保证焊缝起始和结束处的质量； （$） 激光横模 %&’） 横模直接影响聚焦光斑直径和功率密度， （ ， 基模焦点处的功率密 度要比多模光束高两个数量级。对于厚件的焊接， 通常选用 ( )* 以上的多模激光器。二、 深熔焊接的接头设计传统焊接方法中使用的绝大部分的接头形式都适合激光焊接， 所不同的是， 由于聚 焦后的光束直径很小， 因而对装配的精度要求高。在实际应用中， 激光焊最常采用的接 头形式是对接和搭接。 对接时， 装配间隙应小于材料厚度的 +(, ， 零件间的错位和不平度不大于 &(, ， 见图 ( - & - +.。尽管激光焊接时变形很小， 为了确保焊接过程中工件间的相对位置不变化， 最好采用适当的夹持方式。图 ( - & - +. 中参数主要适用于铁合金和镍合金等材料， 而 对于导热性好的材料， 如铜合金、 铝合金等， 还应将误差控制在更小的范围内。另外， 由 于激光焊接时一般不加填料， 所以， 对接间隙还直接影响着焊缝的凹陷程度。图 ( - & - +.! 对接装配精度及夹紧方式搭接时， 装配间隙应小于板材厚度的 &(, ， 见图 ( - & - +/。如果装配间隙过大， 会造 成上面工件的烧穿。当焊接不同厚度的工件时， 应将薄件置于厚件之上。图 ( - & - +/! 搭接装配精度及夹紧方式图 ( - & - +0 给出了板材激光焊接时常用的接头形式， 其中的卷边角接接头具有良 好的连接刚性。在吻焊接头形式中， 待焊工件的夹角很小， 因此， 入射光束的能量可绝大 部分被吸收， 吻焊接头焊接时， 可不施夹紧力或仅施很小的夹紧力， 其前提是带焊工件的 接触必须良好。0#1第五篇! 高能束焊方法及设备 三、 工艺参数及其对熔深的影响（&） 入射光束功率! 它主要影响熔深， 当束斑直径保持不变时， 熔深随入射光束功率 的增加而变大， # $ % $ && 是 ’() 型不锈钢激光焊熔深随入射光束功率变化的曲线， 图 图 # $ % $ %( 是根据对不锈钢、 铝等金属的实验而给出的激光焊熔深与入射光束功率的 钛、 关系。由于光束从激光器到工件的传输过程中存在能量损失， 作用在工件上的功率总是 小于激光器的输出功率， 所以， 入射光束功率应是照射到工件上的实际功率。在焊接速 度一定的前提下， 焊接不锈钢、 铬时， 钛、 最大熔深 ! *+, 与入射光束功率 & 之间存在以下关 系： ! *+, 5&(- . （# $ % $ &’）图 # $ % $ &/! 板材激光焊接常用接头形式（%） 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。对高 前者包含略多于 斯光束的直径定义为光强下降到中心值的 & 0 # 或 & 0 #% 处所对应的直径， 1(2 的总功率， 后者则包含 /(2 的总功率， 建议采用 & 0 #% 的定义方法。 实际测量中所采用的最简单的方法是等温轮廓法， 通过对炭化纸的烧焦或对聚丙烯 板的穿透来进行测量。 聚焦后的光斑直径& %! % $ 3 %- )) （’’ 4 &） &（# $ % $ &)）式中! %――聚焦镜焦距； ― /)(标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! ’() 型不锈钢激光焊熔深 随入射光束功率变化的曲线图 & # $ # $(! 激光焊熔深随入射光束功率变化的曲线― ! ――激光波长； !――聚焦前光斑直径； ― &――激光横模的阶数。 ― 显然， 采用短焦距的聚焦镜可使 # 变小， $ 一定的情况下， 在 横模阶数越低， 越小， # 当横模为基模 & * (） # 最小。 （ 时， （’） 吸收率! 吸收率决定了工件对激光束能量的利用率。研究表明， 金属对红外光 的吸收率 & % 与它的电阻率 & & 之间的关系为 （& # $ # %&） & & + * %%$, $ ! & 电阻率又与温度有关， 所以， 金属的吸收率又与温度密切相关。理论计算表明， 材料 -. # /+0 # )1 在 ’((2 时的吸收率约为 %&3 ， ’() 型不锈钢、 和 67 即使在熔融状态， 而 45 其吸收率也低于 %&3 ， 这说明反射所造成的能量损失是很大的。 尽管大多数金属在室温时对 %(, / !8 波长光束的反射率一般都超过 &(3 ， 然而， 一 旦熔化、 气化、 形成小孔以后， 对光束的吸收率将急剧增加， & # $ # $% 显示了金属材料 图 吸收率随表面温度和功率密度的变化。由图 & # $ # $% 可知， 达到沸点时的吸收率已超 铝为 %( = : ; &8$ ， 钨为 %( 9 : ; &8$ ， 过 &(3 。不同金属达到其沸点所需的功率密度也不同， 可有效地提高 碳钢和不锈钢则在 %( / : ; &8$ 以上。对材料表面进行涂层或生成氧化膜， 对光束的吸收率。图 & # $ # $$ 表示在不同的表面处理条件下， 熔透功率与焊接速度的 关系。可以看出， 材料表面经处理后对光束的吸收率有不同程度的提高。 9)%第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # $%! 金属材料吸收率随表面温度 和功率密度的变化图 & # $ # $$! 不同表面处理条件下熔透功率 与焊接速度的关系另外， 使用活性气体也能增加材料对激光的吸收率， 实验表明， 在保护气体氩中添加 %&’ 的氧， 可使熔深增加一倍。 （(） 焊接速度! 焊接速度影响焊缝熔深和熔宽。深熔焊接时， 熔深几乎与焊接速度 成反比， & # $ # $) 为采用 %&*+ 功率时， 型不锈钢熔深随焊接速度的变化曲线。 图 )&( 在给定材料、 给定功率条件下对一定厚度范围的工件进行焊接时， 有一合适的焊接速度 范围与之对应。如果速度过高， 会导致焊不透； 如果速度过低， 又会使材料过量熔化， 焊 缝宽度急剧增加， 甚至导致烧损和焊穿。 （&） 保护气体成分及流量! 深熔焊接时， 保护气体的作用有两个， 一是保护被焊部位 免受氧化， 二是为了抑制等离子云的负面效应。 ,图 & # $ # $( 显示了不同的保护气体对熔深的影响。由图 & # $ # $( 可知， 可显著 改善激光的穿透力， 这是由于 ,- 的电离势高， 不易产生等离子体， ./ 的电离势低， 而 易 产生等离子体。若在 ,- 中添加 %’ 的有更高电离势的 ,（ 体积分数） 则又会进一步改 ， $ 善光束的穿透力， 使熔深进一步增加。空气和 01$ 对光束穿透力的影响介于 ./ 和 ,之间。 2($标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # $%! %&’ 型不锈钢在 (&)* 功率 下熔深随焊接速度的变化曲线图 & # $ # $’! 不同保护气体对熔深的影响气体流量对熔深的影响见图 & # $ # $&。在一定的流量范围内， 熔深随流量的增加而 增加， 超过一定值以后， 熔深则基本维持不变。这是因为流量从小变大时， 保护气体去除 熔池上方等离子体的作用加强， 减小了等离子体对光束的吸收和散射作用， 因此熔深增 加， 一旦流量达到一定值以后， 仅靠吹气进一步抑制等离子体负面效应的作用已不明显， 因此， 即使流量再加大， 对熔深也就影响不大了。另外， 过大的流量不仅会造成浪费， 同 时， 还会使焊缝表面凹陷。图 & # $ # $&! 保护气体流量对熔深的影响高速焊接时， 选择 保 护 气 体 不 能 仅 仅 考 虑 气 体 的 电 离 势， 应 考 虑 气 体 的 比 重。 还 因为电离势较高的气体往往原子序数较低， 质量也较小。高速焊接时， 这些较轻的气 体不能在短时间内把焊接区域的空气排走， 而较重的气体则可实现这一点， 因而， 把较 重的气体和较轻的而电离势又高的气体混合在一起， 将会产生最佳的熔透效果。图 & +’%第五篇! 高能束焊方法及设备& # & #$ 表明， 尽管提高了焊接速度， 当在 %& 中添加 ’() 的 ! *+） 仍可显著增加 （ 时， 熔深。 （$） 离焦量! 离焦量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、 熔深和横截面积有较大影响。图 , & # & #- 是采用功率为 ,./、 焊接速 度为 ’$00 1 2、 对板厚为 $00 的 3’( 型不锈钢进行实验所得到的结果。当焦点位于工件 较深部位时， 形成 4 形焊缝； 当焦点在工件以上较高距离 正离焦量大） 形成 钉头” （ 时， “ 状焊缝， 且熔深减小； 而当焦点位于工件表面下 ’00 左右时， 焊缝截面两侧接近平行。 实际应用时， 焦点位于工件表面下 ’ 5 #00 的范围较为适宜。图 , & # & #$! *+ （’() ） %& 6() ） 与 （ 混合气体对熔深的影响图 , & # & #-! 离焦量对焊缝形状的影响图 , & # & #7 为采用 ’(((/ 激光、 焊接速度为 ,(80 1 09:、 焦距为 ,( 5 ’((00、 3(; 对 型不锈钢进行实验所得出的离焦量对熔深、 熔宽和截面积影响的关系曲线。图 , & # & #7 中， 为焦距， ! 为离焦量。由 , & # & #7 图可知， ! 熔深随离焦量有一跳跃性变化， & 在 4 熔深很小， 这时属热传导焊接； & !! & 减小到某一值后， 当 熔深发生跳跃性 !! 很大的地方， 增加， 这标志着小孔效应开始产生。四、 金属材料的激光焊接所有可以用常规方法进行焊接的材料或具有冶金相容性的材料都可采用激光焊接， 一些用常规方法难焊的材料， 如高碳钢、 高合金工具钢以及钛合金等， 也可采用激光焊 接。影响材料激光焊接性的因素除了材料本身的冶金特性以外， 还包括材料的光学性 能， 亦即材料对激光的吸收能力。吸收能力强的材料易于焊接， 而吸收能力差 反射率 （ 7;;标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备大） 的材料 如 &#、 等） （ $% 焊接较困难。图 & ’ ( ’ ()! 离焦量对熔深、 熔宽和横截面积的影响（*） 碳钢及合金钢! 采用合适的规范参数对低碳钢进行焊接时， 焊缝具有良好的拉 伸和冲击等机械性能， + 射线进行检验的结果也很好。国内外均已采用激光焊接汽车 用 齿轮， 而这种齿轮原来只用电子束焊接。 国外对三种民用船舶船体结构钢 编号分别为 &、 $） （ ,、 的激光焊接进行了实验研究。 & , $ 实验板材的厚度范围为： 级―-. & / *(. 011， 级―*(. 0 / *-. 211， 级―(&. 3 / (). 411。钢的 ! $） （ 不大于 2. (56 ， 78） 2. 46 / *. 256 ， ! （ 为 钢的脱氧能力从 & 级到 $ 级 依次递增。焊接时， 使用的激光功率在 *29: 左右， 焊接速度为 2. 4 / *. (1 ; 1&8。除对厚 度为 *-. 211 和 (&. 311 的板材进行正反两边焊外， 其他试件均为一次焊双面成形。通 过对试件进行拉伸、 弯曲以及冲击等实验表明， 激光焊接头性能良好。 接头的力学性能， 如断 美国海军对潜艇耐压壳用 =& ’ *52 合金钢的激光焊接表明， 裂强度、 伸长率等， 比其他常规方法所焊接头的性能优越。冲击实验表明， 激光焊接头的 ?@ 能 动态撕裂能） （ 接近母材， 而且冲击韧度优于母材。 （(） 不锈钢! 用激光焊接 *) ’ ) 型 （523 型） 不锈钢， 从薄板到厚板 （2. * / *(11） 均 可获得成形美观、 性能良好的焊接接头。 焊缝深宽比可达 *(A *； + 射线检验 经 对镍 ’ 铬系 522 型不锈钢进行深熔焊接表叫， 表明， 焊缝致密， 无缺陷。当焊接工艺参数合适时， 接头可与母材等强度。 对薄壁 *) ’ ) 钛型 （5(* 型） 不锈钢管的焊接实验也获得了满意的结果， 焊缝抗拉强 度达 4&427BC， 并破断在母材区， 焊缝区硬度值也较高， 扫描电镜实验显示焊缝为极细的 指状组织。 )3&第五篇! 高能束焊方法及设备（&） 耐热合金! 许多镍基和铁基耐热合金都可进行脉冲和连续激光焊接。 通过对铁基合金 # $ %&’ 和航空发动机中使用的三种镍基耐热合金 ()&&、 （ *’+&、 ,-&） 的激光焊接表明， 接头力学性能与母材几乎相当。 ./0 $ %1 合金和 ./0 $ ’+ 合金是两种宇航用铱基合金， 它们具有很高的熔点， 具有优 良的高温强度和抗氧化性， 用激光对其进行焊接时， 焊缝晶粒很细， 可消除金属钍在晶界 偏析所产生的热裂现象， 获得无裂纹的焊缝， 而用常规的钨极氩弧焊则是难以办到的。 用大功率 8 %19:） ’ 激光器 （7 *; 国外对厚度为 +2 133 的 456/ $ -%7 镍基合金组件， 对其进行了成功的焊接， & $ ’ $ ’ 是接头的力学性能实验数据 表 （1） 铝及铝合金! 铝及其合金的激光焊接是比较困难的， 一方面是由于工件表面在 开始时的反射率极高 超过 &=& ） 反射率又不稳定； （ ， 另一方面， 随着温度的升高， 氢在铝 中的溶解度急剧增加， 焊缝中普遍存在着气孔。因此， 对这类材料进行焊接时， 工件表面 需进行预处理， 且需要大功率的激光器。 但焊缝强度比母材 国外有人使用 79? 的 *;’ 激光焊透 %’2 -33 的 &1&+ 型铝合金， 低的多， 这主要是因为母材中的 #@、 元素对激光吸收能力强， #5 形成了择优蒸发， 最后 导致焊缝中的 AB& #@’ 强化相减少。 尽管激光焊铝及其合金存在较大困难， 但通过大量研究表明， 采用 %=9? 左右的激光 （&=== 系列） 已进行了成功地焊 束和气保护系统， 对抗海洋腐蚀性能良好的铝 $ 镁合金 接。采用 +9? 的激光器焊接 &2 &33 的板材时， 焊缝虽仍有气孔， 但焊道成形良好， 平均 接头强度达 &1&#(C， 与母材强度相当， 但焊缝塑性较低。表 & $ ’ $ ’! 456/ $ -%7 合金激光焊接头的力学性能 试验部位 母材―横向 母材―横向 母材―纵向 母材―纵向 焊缝―纵向 焊缝―纵向 焊缝―纵向 焊缝―横向 焊缝―横向 焊缝―横向 伸长率 & ） （ %+2 1 %+2 1 %-2 = ’=2 = &2 ’ %=2 & +2 = &2 & ’2 ’ &2 ’ 抗拉强度 D #(C 断裂强度 %&-’ %&-’ %&&% %&&% %&-’ %&-’ %&+’ %&+’ %&1’ %&&’ 屈服强度 %%&& %’%& %’%& %’’& %%&& %%7& %%++ %’’& %’&& %’&&! ! （&） 铜及铜合金! 由于铜及铜合金的热导率和反射率比铝合金还高， 一般很难进行 焊接。在极高的激光功率和对表面进行处理的前提下， 可对少数合金， 如磷青铜、 硅青铜 71+标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备等进行焊接。由于 &# 元素易挥发， 黄铜的焊接性能不好。 （$） 钛及钛合金! 钛合金采用激光焊接可得到满意的结果。对 %&& 厚的 ’( ) $*+ ) ,- 板材采用 ,. /01 的激光输出功率， 焊接速度可超过 %2& 3 &(#。经 4 射线检查显示， 接 头致密， 无裂缝， 无气孔、 无夹杂物、 接头强度与母材相近， 疲劳强度亦与母材相当。当放 慢焊接速度时， 使用 5. 601 的激光功率可焊接 /. 2&& 的厚板。表 2 ) 7 ) 5 是对工业纯 钛和钛合金 ’( ) $*+ ) ,-） （ 进行深熔焊接所得到的强度实验结果。 （/） 异种金属! 激光焊接可在许多类异种金属问进行， 研究表明， 铜―镍、 镍―钛、 钛―钼、 低碳钢―铜等异种金属在一定条件下均可进行激光焊接。图 2 ) 7 ) 78 是对不 同材料组合进行激光焊接的实例。表 2 ) 7 ) 5! 钛及钛合金激光焊接的强度实验结果 焊缝金属 材料 抗拉强度 3 9:; ’( ) $*+ ) ,工业纯钛 6,7 & 8?, 2%8 & 2$% 屈服强度 3 9:; /6, & 6,7 ,2? & ,87 伸长率 （& ） %%. ? & %,. ? 7/. ? 抗拉强度 3 9=; 66/ & 86? @ ,6. , 母材 屈服强度 3 9:; 6%/ & 6// ,?/ 伸长率 （& ） %?. ? & %2. ? 7/. ? & 76. ?图 2 ) 7 ) 78! 不同金属间采用激光焊接的可焊性! ! 另外， 不锈钢―铜、 可伐合金―铜、 普通碳钢―硬质合金以及因瓦镍合金―不锈钢间 也可采用激光焊接。6,/第五篇! 高能束焊方法及设备 五、 非金属材料的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 &#$$% ， 然后在空气中进行焊接， 见图 # & ’ & ($ 所示， 通常采用长焦距的聚焦 透镜。为了提高接头强度， 也可添加焊丝。图 # & ’ & ($! 陶瓷激光焊接示意图焊接金属基复合材料 )*+,- ),+./0 123425/+*5―))15） 易产生脆性相， （ 时， 这些脆性 相会导致裂纹以及降低接头强度， 虽然在一定条件下可以获得满意的接头， 但总体仍处 于研究阶段。六、 激光焊接复合技术激光焊接复合技术是指将激光焊接与其他焊接组合起来的集约式焊接技术， 其优点 是能充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足。 （&） 激光―电弧焊! 图 # & ’ & (& 和图 # & ’ & (’ 分别是激光―678 和激光―)78 复 合焊接法示意图。进行这种复合焊接的主要优点是： &） 有效地利用激光能量! 母材处于固态时对激光的吸收率很低， 而熔化后可高达 #$9 : &$$9 。采用复合焊接法时， 电弧或 )78 电弧先将母材熔化， 678 紧接着用激光照 射， 从而提高母材对激光的吸收率。 ’） 增加熔深! 在电弧的作用下， 母材熔化形成熔池， 而激光束又作用在电弧形成熔 池的底部， 加之液体金属对激光束的吸收率高， 因而复合焊接较单纯激光焊接的熔深大。 (） 稳定电弧! 单独采用电弧焊时， 焊接电弧有时不稳定， 特别是在小电流情况下， 当 焊接速度提高到一定值时会引起电弧飘移， 使焊接无法进行； 而进行激光 & 电弧复合焊 接时， 激光产生的等离子体有助于稳定电弧。 图 # & ’ & (( 为单纯 678 焊接和激光―678 复合焊接时电弧电压和电弧电流的波形。 ;&;标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 激光―’() 复合焊接法示意图图 & # $ # %$! 激光―*() 复合焊接示意图图 & # $ # %%+ 中焊接速度为 &%&,- . -/0、 焊接电流为 &112， ’() 可以看出， 复合焊接时， 电 弧电压明显下降， 焊接电流明显上升。图 & # $ # %%3 中焊接速度为 $41,- . -/0、 焊接 ’() 可以看出， 单纯 ’() 焊接时， 电弧电压及焊接电流均不稳定， 很难进行焊接， 电流为 412， 而与激光进行复合焊接时， 电弧电压和电弧电流均很稳定， 可顺利进行焊接。图 & # $ # %%! 单纯 ’() 焊接和激光―’() 复合焊接时电弧电压和电弧电流的波形（$） 激光―高频焊! 图 & # $ # %5 是激光 # 高频焊示意图。它是在采用高频焊管的 756第五篇! 高能束焊方法及设备同时， 采用激光对尖劈进行加热， 从而使尖劈在整个厚度上的加热更均匀， 这样， 有利于 进一步提高焊管的生产率和质量。图 & # $ # %&! 激光―高频焊示意图（%） 激光压焊! 图 & # $ # %& 是采用激光压焊对薄钢带焊接的示意图。对薄钢带进 行激光熔焊时， 如果焊接速度大于 %’( ) (*+ 时， 往往出现缺陷； 而采用如图 & # $ # %& 所 示的方法时， 两待焊的薄钢带通过导槽形成 ,’- 张角， 经聚焦的激光束照射到两薄带之 间， 在上下两压辊的作用下， 两钢带在未熔化前被压焊在一起， 其结果是不仅焊缝强度很 好， 而且焊接速度亦达到 $&’( ) (*+， 是原来的 . 倍。图 & # $ # %&! 采用激光压焊对薄钢带焊接的示意图第五节! 激光热传导焊接激光热传导焊接时， 功率密度比较低， 金属加热温度控制在沸点附近， 不致于形成很 大的蒸汽压力， 不形成熔池小孔。图 & # $ # %, 是蒸汽压与功率密度的关系。激光作用 下， 金属材料物态转变成液态和气化的量不仅与激光功率密度有关， 还与激光的作用时 间有关。图 & # $ # %/ 是平均功率为 %’01、 功率密度为 2’ / 1 ) 3($ 的 24 ’, !( 波长激光 作用于 5*、 89、 表面时， 67、 :; 所测得的物态转变量 液化和气化量） （ 与激光脉宽的关系， 而其中的液态物质占总转化量的百分比与激光脉宽的关系见图 & # $ # %.。由图 & # $ # %. 可知， 液化量随激光脉宽的增加而迅速增加。当功率密度大于 2’ , 1 ) 3($ 且脉宽小于 ’4 $(& 时， 蒸发占主导， 此时有利于切割、 打孔等； 当脉宽大于 ’4 $(& 时， 熔化占主导， 这对 焊接有利， 脉冲激光焊接时， 脉宽为毫秒量级。 .&’标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 蒸汽压与功率密度的关系注： ’(()* + ’%%, %$$-.图 & # $ # %/! 液化气化量与激光脉宽的关系图 & # $ # %0! 转变成液态的物质量 与激光脉宽的关系一、 传导焊接的接头设计图 & # $ # %1 是线材激光焊接常用的接头形式， 线材焊接常采用脉冲固体激光焊接。 图 & # $ # 23 是薄片与薄片的焊接形式。 图 & # $ # 2’ 是线材与块状零件焊接的接头形式。采用图 & # $ # 2’. 形式时， 将细丝 插入孔中： & # $ # 2’4 为 5 形连接， & # $ # 2’6、 & # $ # 2’7、 & # $ # 2’8 为端焊 图 图 图 图 0&’第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 线材激光焊接常用接头形式图 & # ’(! 薄片与薄片的焊接方式)） 对焊! *） 中心穿透熔化焊 +） 端焊! ,） 中心插入式熔化焊连接， 而采用图 & # $ # ’-. 形式时， 细丝置于平板元件的小槽或凹口内， 当光斑直径大于 细丝直径时， 可增加焊接接头的可靠性。图 & # $ # ’-! 线材与块状零件焊接的常用接头形式/&$标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备 二、 工艺参数的选择（&） 脉冲能量! 脉冲能量主要影响金属的熔化量， 当能量增大时， 焊点的熔深和直径 增加。图 # $ % $ &%’、 分别表示了当脉冲宽度和光斑直径均保持不变时， ( 焊点熔深 ! 和 直径 & 随能量大小变化的关系。该实验采用钕玻璃激光器， 脉冲宽度 &)*， 光斑直径 +, #))， 材质分别为 -.、 和 12。由于光脉冲能量分布的不均匀性， /0 最大熔深总是出现在 光束的中心部位， 而焊点直径也总是小于光斑直径。图 # $ % $ &%! 焊点熔深 ! 和直径 & 随脉 冲能量变化的关系曲线（%） 脉冲宽度! 脉冲宽度主要影响熔深， 进而影响接头强度。图 # $ % $ &3 表示了接 头强度与脉冲宽度的关系。当脉冲宽度增加时， 脉冲能量增加， 在一定的范围内， 焊点熔 深和直径也增加， 因而接头强度随之也增加。然而， 当脉冲宽度超过一定的值以后， 一方 面热传导所造成的热耗增加， 另一方面， 强烈的蒸发最终导致了焊点截面积减小， 接头强 度下降。脉冲宽度增加引起的热传导损耗的变大还造成了曲线的右移。大量研究和实 践表明， 脉冲激光焊接的脉宽下限不能低于 &)*， 其上限不能高于 &+)*。 （3） 脉冲形状! 由于材料的反射率随工件表面温度的变化而变化， 所以， 脉冲形状对 材料的反射率有间接影响。图 # $ % $ && 中的曲线 & 和曲线 % 表示了在一个激光脉冲作 用期间铜和钢相对反射率的变化。 由图 # $ % $ && 可知， 激光开始作用时， 由于材料表面为室温， 反射率很高； 随着温度 的升高， 反射率迅速下降 对应图中的 #$ 段） 当材料处于溶化状态时， （ ； 反射率基本稳定 在某一值； 当温度达到沸点时， 反射率又一次急剧下降。 4#3第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 接头强度与脉冲宽度的关系曲线’―!’ ! $―!$ ! &―!& ! （ !’ ( !$ ( !& ）图 & # $ # %%! 在一个激光脉冲作用期间铜和 钢的相对反射率变化曲线对大多数金属来讲， 在激光脉冲作用的开始时刻， 反射率都较高， 因而可采用带前置 尖峰的光脉冲， 见图 & # $ # %&。前置尖峰有利于对工件的迅速加热， 可改善材料的吸收 性能， 提高能量的利用率， 尖峰过后平缓的主脉冲可避免材料的强烈蒸发， 这种形式的脉 冲主要适用于低重复频率焊接。而对高重复频率的焊缝来讲， 由于焊缝是由重叠的焊点 组成， 光脉冲照射处的温度高， 因而， 宜采用如图 & # $ # %) 所示的光强基本不变的平顶 波。而对于某些易产生热裂纹和冷裂纹的材料， 则可采用如图 & # $ # %* 所示的三阶段 激光脉冲， 从而使工件经历预热%熔化%保温的变化过程， 最终可得到满意的焊接接头。图 & # $ # %&! 带前置尖峰的激光脉冲波形+&%标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 光强基本不变的平顶波图 & # $ # %’! 三阶段激光脉冲波形（%） 功率密度! 在脉冲激光焊中， 要尽量避免焊点金属的过量蒸发与烧穿， 因而合理 地控制输入到焊点的功率密度是十分重要的。功率密度 （()*+, -+./012） !& 3 式中! #――激光能量： ― $――光斑直径： ― ― % 5 ――脉冲宽度。 焊接过程金属的蒸发还与材料的性质有关， 即与材料的蒸汽压有关， 蒸汽压高的金 属易蒸发。另外， 熔点与沸点相差大的金属， 焊接过程易控制。大多数金属达到沸点的 光斑 功率密度范围约在 46 & 7 46 & 8 9 :;$ 以上。对功率密度的调节可通过改变脉冲能量、 直径、 脉冲宽度以及激光模式等实现。 （&） 离焦量! 一定的离焦量可以使光斑能量的分布相对均匀， 同时也可获得合适的 功率密度。尽管正负离焦量相等时， 相应平面上的功率密度相等， 然而， 两种情况下所得 到的焊点形状却不相同。负离焦时的熔深比较大， 这是因为， 负离焦时， 小孔内的功率密 度比工件表面的高， 蒸发更强烈。因此， 要增大熔深时， 可采用负离焦； 而焊接薄材料时， 则宜采用正离焦。 %# $ !$ % & （& # $ # 4&）三、 激光钎焊（4） 激光软钎焊! 激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接， 尤其在表面安装技术 &=& &?,@A:+ ;)?.1 &+:B.)C)D2） （ 中用于片状元件的组装。激光软钎焊的主要优点是： 4） 局部加热， 热影响区小， 元件不易产生热损伤， 可在热敏元件附近施焊。 $） 非接触加热， 不需任何辅助工具， 可在双面印刷板上进行双面装配后同时焊接。 E&&第五篇! 高能束焊方法及设备&） 重复操作稳定性好， 激光功率和照射时间易于控制， 成品率高。 #） 光容易实现分光， 通过半透镜、 反射镜、 棱镜、 扫描镜等可对激光进行空间上的分 割， 能实现多点同时焊。 $） 波长为 %& ’( !) 的激光可用光纤传输， 可达性好， 灵活性好。 (） 聚光性好， 易于实现多工位装置的自动化。 二者间的特性比较见表 $ 4 激光钎焊多使用连续 *+, 激光器和 -.& / 0 123 激光器， , 4 #。由于 -.& / 0 123 激光可用光纤传输， 钎料对其反射率又比 *+, 激光低， 且光学系 统廉价， 因而被广泛采用。表 $ 4 , 4 #! 123 激光器和 *+, 激光器特性的比较 激光种类 123 *+, 波长 5 !) %& ’( %’& ( 钎料表面反 射率 小 大 钎剂吸收 能力 大 小 电路板吸收 能力 小 大 传输系统 石英光纤 反射镜 聚光系统材料 光学玻璃 石英玻璃， 6789， 3:2; 39，! ! 在 8&= 中进行激光软钎焊时， 激光束对材料主要有三种作用方式： 光点移动法、 线状 光束照射法以及扫描法。 :& 光点移动法激光钎焊， 其示意图见图 $ 4 , 4 #& 所示。激光束光点对准所焊部位， 使钎料熔化， 产生一定范围的流动， 直至钎料覆盖整个连接区。图 $ 4 , 4 #&! 光点移动法激光钎焊示意图光点移动， 即可移动光束， 也可移动工件。移动光源时， 多采用机器人， 移动工件时， 可采用数控工作台。 光点移动法激光钎焊所需激光功率较小， 一般 %$? 左右， 每个焊点所需时间为 ,’ @ #’);。激光输出的通断由谐振腔内的光快门控制。 A& 线状光束照射法激光钎焊! 见图 $ 4 , 4 #B 所示。该方法采用柱面透镜将光束聚 焦为线状， 集成电路一侧的若干引线经一次激光照射即可完成钎焊， 因而缩短了焊接时 间。若将激光束分割为平行的两束光， 则一次可完成两侧引线元件的焊接， 而对于四向 引线元件， 仅需二次激光照射。 C& 扫描法激光钎焊! 见图 $ 4 , 4 $’ 所示。123 激光经光纤传输后通过电动机带动 反射镜实现往复扫描。这种方法是把局部加热的激光束变成了线状光束后， 照射到若干 个部位进行钎焊。 &$(标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 线状光束法激光钎焊示意图图 & # $ # &’! 扫描法激光钎焊示意图(） 扫描方式原理! )） 扫描光学系统扫描法激光钎焊与其他激光钎焊相比， 其主要优点是： !* 缩短了钎焊时间。 尤其是高度集成器件的树脂膜很簿， 温度超过 ,&’ - ,.’/ &* 对元件的热 + 损伤小， 时， 树脂产生裂纹， 此时， 该方法的优点显得特别突出。 通过对振镜的反馈控制可实现匀速扫描。 #* 加热均匀， 通过电控可对不同元器件照射位置及长度进行快速变换， 这 $* 能适应各种元器件， 比采用快门法的效率高。 激光功率、 辐照时间等参数易于控制， 且易于重复的材料。 %* 适宜于钎焊自动化， 利用熔融钎料的表面张力， 可将 &* 具有自定位效果。由于所有钎焊部位同时加热， 元器件引线拉向正中位置。 （$） 激光硬钎焊 0&.第五篇! 高能束焊方法及设备激光硬钎焊在有色金属的连接中优越性较大， 目前， &#、 &’、 和 &( 基材料的 对 $%、 &’ 硬钎焊获得了良好的效果。 图 ) * + * ), 是激光加丝硬钎焊示意图。焊接时， 聚焦光斑直径、 离焦量、 钎丝位置 都十分重要， 只有正确选择， 才能保证过程的正常进行。图 ) * + * ),! 激光加丝硬钎焊示意图第六节! 激光焊接应用实例表 ) * + * ) 是激光焊接的部分应用实例。 图 ) * + * )+ 是用 &-+ 激光焊接的缓冲器实物照片。该缓冲器内外共有 +. 条焊缝， 其中内环焊缝 / 条， 外环焊缝 ,, 条。,0 条焊缝为 .1 +22 3 .1 +22， 条外环焊缝为 .1 + +22 3 ,1 +22。 图 ) * + * )4 是用脉冲 5&6 激光焊接的丝材与质量块的低倍金相照片。丝材为直径 .1 +22 的 ,&7,0$%/8%， 质量块为 ,&7,4 不锈钢。表 ) * + * )! 激光焊接的部分应用实例 工业部门 航空 航天 航海 石化 电子仪表 机械 钢铁 汽车 应用实例 膜盒等 发动机壳体、 风扇机匣、 燃烧室、 流体管道、 机翼隔架、 电磁阀、 陀螺等 火箭壳体、 导弹蒙皮与骨架、 舰船钢板拼焊 滤油装置多层网板 集成电路内引线、 显像管电子枪、 全钽电容、 速调管、 仪表游丝、 光导纤维等 电液伺服阀等 精密弹簧、 针式打印机零件、 金属薄壁波纹管、 热电偶、 焊接厚度 .1 + 9 022， 宽度为 .1 ) 9 ,1 02 的硅钢、 高中低碳钢和不锈钢， 焊接速度为 , 9 ,.2 : 2%; 点火器中轴与拨板组合件等 汽车底架、 传动装置、 齿轮、 蓄电池阳极板、0)0标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备工业部门 医疗 食品 应用实例 心脏起搏器以及心脏起搏器所用的锂碘电池等 食品罐 用激光焊代替了传统的锡焊或接触高频焊， （ 具有无毒、 焊接速度快、 节省材料以 及接头美观、 性能优良等特点）图 & # $ # &$! %&$ 激光焊接的缓冲器图 & # $ # &’! 脉冲 ()* 激光焊接的丝材与质量块的低倍金相照片,&+第五篇! 高能束焊方法及设备第七节! 激光切割一、 激光切割的特点激光切割与其他切割相比， 具有如下一系列优点： 切割质量好! 表 # $ % $ & 是对厚 &’ %(( 的低碳钢板采用激光切割、 气切割及等 （&） 离子切割时， 切缝的宽度和形状以及其他情况的比较。 激光切割的切缝几何形状好， 切口两边平行， 切缝几乎与表面垂直， 底面完全不粘附 熔渣， 切缝窄， 热影响区小， 有些零件切后不需加工即可直接使用。 切割材料的种类多! 通常气割只限于含铬量少的低碳钢、 中碳钢及合金钢。在 （%） 等离子弧切割中， 使用非转移弧虽能切割金属和非金属， 但容易损伤喷嘴； 常用的是转移 弧， 故只能切割金属。激光能切割金属、 非金属、 金属基和非金属基复合材料、 皮革、 木材 及纤维等。表 # $ % $ &! 几种切割方法的比较 切割方法 激光切割 气切割 等离子切割 切缝宽度 ) (( *’ % + *’ , *’ . + &’ % ,’ * + -’ * 热影响区宽度 ) (( *’ *- + *’ *& *’ & + &’ % *’ # + &’ * 切缝形态 平行 比较平行 楔形且倾斜 切缝速度 快 慢 快 设备费 高 低 中高! ! （,） 切割效率高! 激光的光斑极小， 切缝狭窄， 比其他切割方法节省材料。另外， 激 光切割机上一般配有数控工作台， 只须改变一下数控程序， 就可适应不同的需要。 非接触式加工! 激光切割是非接触式加工， 不存在工具磨损的问题， 也不存在更 （-） 换 刃具” “ 的问题。 （#） 噪声低 污染小! 激光切割的不足之处是设备费用高， 一次性投资大， 目前， 主要用于中 （&） 小厚度的板材和管材。二、 激光切割的机理及分类根据切割材料的机理， 激光切割分为： 激光气化切割、 激光熔化切割、 激光氧气切割 以及激光划片与控制断裂。 （&） 激光气化切割! 当激光束照射时， 金属材料被迅速加热气化， 并以蒸发的形式由 /&*标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备切割区逸散掉。 （&） 激光熔化切割! 材料被迅速加热到熔点， 借助喷射惰性气体， 如氩、 氮等， 氦、 将 熔融材料从切缝中吹掉。 （#） 激光氧气切割! 金属材料被迅速加热到熔点以上， 以纯氧或压缩空气作辅助气 体， 此时熔融金属与氧激烈反映， 放出大量热的同时， 又加热了下一层金属， 金属继续被 氧化， 并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。 （$） 激光划片与控制断裂! 划片是用激光在一些脆性材料表面刻上小槽， 再施加一 定外力使材料沿槽口断开。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布， 在脆 性材料里产生局部热应力， 使材料沿刻槽断开。 一般来说， 激光气化切割多用于极薄金属材料以及纸、 木材、 布、 塑料、 橡皮等的切 割， 非金属材料一般都不易氧化， 且对 %&’ ( !) 波长的激光吸收率特别高， 传热系数极低。 激光熔化切割用于不锈钢、 铝及其合金等。激光氧化切割主要用于碳钢、 钛、 钛钢以及热 处理钢等易氧化的金属材料。三、 激光切割设备激光切割设备主要由激光器、 导光系统、 *+* 控制的运动系统等组成， 此外还有抽吸 系统以保证有效地去除烟气和粉尘。 激光切割时割炬与工件间的相对移动有三种情况： %） 割炬不动， 工件通过工作台作运动， 这主要用于尺寸比较小的工件； &） 工件不动， 割炬移动； #） 割炬和工作台同时移动。 图 , - & - ,$ 是割炬移动式切割装置示意图。图 , - & - ,, 是激光割炬示意图。图 , - & - ,$! 是割炬移动式切割装置示意图%―激光振荡器! &―反射镜 %! #―激光束 $―反射镜 &! ,―激光光源! (―*+* 装置 .―反射镜 #! /―反射镜 $! 0―聚焦透镜激光切割时， 对割炬的特殊要求是： /(%第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # &&! 是激光割炬示意图%―工件! $―切割喷嘴! &―氧气进气管 ’―氧气压力表! &―透镜冷却水套! (―聚焦透镜 )―激光束! *―反射冷却水套! +―反射镜 %,―伺服电动机! %%―滚珠丝杆 %$―放大控制及驱动电器! %&―位置传感器%） 割炬能喷射出足够的气流； $） 要求气体喷射的方向和反射镜的光轴是同轴的； &） 切割时金属的蒸汽和金属的飞溅不损伤反射镜； ’） 焦距便于调节。四、 影响切割质量的因素（%） 光束横摸 %） （ -./,, ） 又称高斯模， 基模 ， 是切割最理想的模式， 主要出现在千瓦以下的激光器。 $） 低阶模 -./,% 或 -./%, ） 接近 -./,, 模， （ ， 主要出现在 % 0 $12 的中功率激光器。 &） 多模， 是高阶模的混合， 出现在 &12 以上的激光器。 图 & # $ # &( 是切割速度与横模及板厚的关系。由图 & # $ # &( 可以看出， &,,2 的 单模激光和 &,,2 的多模有同等的切割能力。多模的聚焦性差， 切割能力低， 单模激光的 切割能力优于多模。表 & # $ # ) 是一些材料的单模激光切割工艺参数， & # $ # * 是一 表 些材料的多模激光切割工艺参数。 （$） 激光功率! 切割所需的激光功率主要决定于切割机理以及被切割材料性质。气 化切割所需功率最大， 熔化切割次之， 氧气切割最小。材料的导电性好、 导热性好、 熔点 高、 厚度大时， 所需激光功率高。切割速度大时， 所需激光功率高。*($标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # &%! 切割速度与横模及板厚的关系 表 & # $ # &! 一些材料的单模激光切割工艺参数 材料 低碳钢 不锈钢 （,./01*） 钛合金 钛合金 有机玻璃 透明） （ 2,$, 氧化铝 聚酯地毯 棉织品 多层） （ 纸板 波纹纸板 石英玻璃 聚丙烯 聚苯乙烯 硬质聚氯乙烯 纤维增强塑料 木材 胶合板） （ 低碳钢 低碳钢 低碳钢 低碳钢 低碳钢 低碳钢 不锈钢 不锈钢 胶合板 厚度 ’ (( 3) 44 ,) 44 54) 44 ,4) 44 ,4) 44 ,) 44 ,4) 44 ,&) 44 4) &4 .) 44 ,) 64 &) &4 3) $4 &) 44 3) 44 ,.) 44 ,) 44 3) 44 %) 44 ,) $4 $) 44 3) 44 ,) 44 3) 44 ,.) 44 辅助气体 氧 氧 氧 氧 氮 氧 氮 氮 氮 氮 氧 氮 氮 氮 氮 氮 氧 氧 氧 氧 氧 氧 氧 氧 氮 切割速度 ’ (() (*+ # , %44 ,&44 &44 $.44 .44 3444 $%44 644
%44 &44 5$44 ,$44 %44 $44 5&44 ,&44 &44 %444 5444 $&44 3444 ,$44 3&44 割缝宽度 ’ (( 4) $ 4) , 3) & ,) & 4) & 4) , 4) & 4) & 4) 5 4) 5 4) $ 4) & 4) 5 4) & 4) 3 4) & 功率 ’ -$&44) ,& 4) ,& 4) $&44.%3第五篇! 高能束焊方法及设备表 & # $ # %! 一些材料的多模激光切割工艺参数 材料 切割和焊接 板厚 & ’’ 切割和焊接的速度 & (’?’)* $./ $./ +./ +1& 01/ +&/ +&/ +&/ & +./ $&/ 4&#+切缝和焊缝的 宽度 & ’’ + + $ + /2 1 +2 & +2 & + 1 .2 . $2 . $2 .功率 & ,-铝 碳钢 ./0 型不锈钢 硼 & 环氧复合材料 纤维 & 环氧复合材料 胶合板 有机玻璃 玻璃 混凝土 切割+$ 1 02 1 % +$ $&2 0 $&2 0 32 0 .% $/+& +& $/ +& $/ % % $/ % $/ $/ %./0 型不锈钢焊接+$ %2 4! ! 图 & # $ # &4 是激光功率与板厚和切割速度的关系图。图 & # $ # &% 是激光功率对切 口宽度影响的关系图。 （.） 激光的偏振方向! 光是横波， 其振动方向与传播方向垂直， 它含有互相垂直的电 振动矢量和磁振动矢量， 习惯上以电振动矢量方向作为激光的偏振方向。 切割时， 光束在切割面上不断反射， 如果光束偏振方向与切缝方向平行， 光能被吸收 的最好， 切缝狭窄而平行； 如果二者成一角度， 光能吸收减少， 切割速度变慢， 切缝变宽， 粗糙且不平直； 如二者垂直， 切割速度更慢， 切缝更宽更粗糙。图 & # $ # &3 是光束偏振 方向与切割质量关系示意图。 聚焦镜聚焦! 焦距的大小直接影响聚焦束斑直径和焦点处的功率密度。焦距 （0） 短， 光斑直径小， 功率密度高， 切割速度快， 但焦距短时， 焦深也小。高速切割薄板时， 可 选用短焦距： 切割厚板时， 在有足够功率密度的前提下， 以选用长焦距的聚焦镜为宜。 （&） 离焦量! 离焦量影响切缝宽度和切割深度。图 & # $ # 1/ 是离焦量对切缝宽度 切割不同厚 的影响。显然， 负离焦时得到的切缝窄。图 & # $ # 1+ 是激光功率为 $2 .,-、 钢板时， 离焦量对切割质量的影响。 （1） 切割速度! 在其他工艺参数一定的情况下， 在一定的切割速度范围内均可得到 图中的上下曲线分 较满意的切割质量， & # $ # 1$ 给出了切割速度与材料厚度的关系， 图 别表示可切透的最高速度和最低速度。图 & # $ # 1. 给出了切割速度对切缝宽度的影 响。图 & # $ # 10 是切割速度对切缝表面粗糙度的影响。 （4） 辅助气体及气体压力 流量） 辅助气体的主要作用是， （ ! 激光氧气切割时， 与切割 金属发生放热反应， 提供一部分切割能量， 吹走切割区底部熔渣并保护聚焦镜， 使其免受 %10标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # &%! 激光功率与板厚和切割速度的关系’&&第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # &%! 激光功率对切口宽度的影响关系图图 & # $ # &&! 光束偏振方向与切割质量关系示意图图 & # $ # ’(! 离焦量对切缝宽度的影响飞溅烧蚀； 激光熔化切割和气化切割时， 辅助气体用于清除熔化和蒸发材料， 同时抑制切 割区过热、 过烧。当激光切割出现等离子体时， 辅助气体还有抑制等离子云负面效应的 能力。 切割金属时， 多使用氧气， 切割不易氧化的金属和非金属时则吹氮气。氧气纯度对 切割速度有显著影响， 纯度降低 $) 会使切割速度降低 &() ， 见图 & # $ # ’& 所示。其他 %’’标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %& 切割不同厚度钢极时， 离焦量对切割质量的影响图 & # $ # %$! 切割速度与材料厚度的关系条件一定时， 存在一最佳氧气压力， 这时对应的切割速度最大； 当高速切割薄板时， 应采 用较大的气体压力； 当材料厚度大或切割速度较慢时， 气体压力应适当降低， 见图 & # $ # %% 所示。 喷嘴! 在流量一定的情况下， 作用在工件表面的辅助气体压力流态与喷嘴形状、 （’） 口径以及喷嘴离材料表面的距离密切相关。 其中， *、 , 为一种形状， )、 +、 仅口径不同， 图 & # $ # %( 列出了三种形状的 % 个喷嘴， -、 各为一种形状， . 它们的气体流态均为层流。图 & # $ # %’ 为该 % 种喷嘴在 /$ 流量为 $01 2 345 时， 中心轴线上压力与喷嘴离材料表面距离的关系。一般情况下， 当流量相同 + 时， 口径越小、 距离越短， 则压力越大。图 & # $ # %6 为不同氧气流量时， 形喷嘴中心轴 线上的压力与离材料表面距离的关系。五、 脉冲激光切割脉冲激光切割与连续激光切割相比， 脉冲激光峰值功率高， 所以， 热影响区更小； 脉 ’%(第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 切割速度对切缝宽度的影响’―切缝顶面! $―切缝底边图 & # $ # %(! 切割速度对切缝表面粗糙度的影响冲激光对等离子体有抑制作用， 可提高切割效率； 脉冲激光切割可获得较低的切口断面 粗糙度。 )%)标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 氧纯度对切割速度的影响图 & # $ # %%! 氧气压力对激光切割速度的影响图 & # $ # &’ 是脉冲 ()$ 激光切割和连续 ()$ 激光切割切缝断面示意图。二者相 比， 采用脉冲激光时， 端面更光洁整齐。 也可以是 *+, - ： ./0 激光器。./0 激光特 脉冲激光切割光源既可以是 ()$ 激光器， 别适宜于反射率高和熔点高的金属 如金、 铜、 钼、 （ 银、 铝、 铂等） 以及精密切割等。脉冲 ， 2%1第五篇! 高能束焊方法及设备图 & # $ # %&! 三种形状的 % 个喷嘴图 & # $ # %’! 压力与距离的关系图 & # $ # %(! ) 形喷嘴中心轴线上的压力与离材料表面距离的关系’&*标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备&#$ 激光切割的精度可以达到 % &’ &&()**。表 ) + , + - 是美国用于切割的几种脉冲 ./0 1 ： &#$ 激光器参数。图 ) + , + 2&! 脉冲和连续 34, 激光切割切缝断面示意图5） 采用脉冲激光! 6） 采用连续激光第八节! 激光焊接与切割的安全防护一、 激光辐射的危害激光辐射眼睛或皮肤时， 如果超过了人体的最大允许照射量 789 75:;*&* 8=&;??;@ （ 6A= 9:BC?&&=） 就会导致组织损伤。损伤的效应有三种： 时， 热效应、 光压效应和光化学 效应。 最大允许照射量与波长、 脉宽、 照射时间等有关， 而主要的损伤机理与照射时间有 关。照射时间为纳秒和亚纳秒时， 主要是光压效应； 照射时间为 (&&*? 至几秒时， 主要为 热效应； 照射时间超过 (&&? 时， 主要为光化学效应。 过量光照引起的病理效应见表 ) + , + (&。表 ) + , + -! 美国用于切割的几种脉冲 ./0 1 ： &#D 激光器参数 激光器型号 额定输出 H I 最大多模输出 H I 最大峰值功率 H LI K 开关输出 最大脉冲能量 H *M 脉宽 H *? 7C/=A ((E F97&& D ― (, (’ & -& F97 *G ,) )& ,& E’ & ,&& 7C/=A ((D F97&& (E ― (E ,’ E (2& F97 *G E& (&& 0) D’ D ,&& 7C/=A ((2 F97&& (J ― 0) 0’ ) (&& F97 *G -& ()& J& (D ,&&连续输出J2(第五篇! 高能束焊方法及设备激光器型号 光斑直径 0 .. 激光输出特性 发散半角 0 .12$ 34 输出稳定度 5 ’-8&?@ 重复率 0 ?@ 脉冲输出稳定 度 ; & = 5 ’-:&?@ 重复率 0 ?@ ’-&?@ 重复率 0 ?@ 9:&?@ 重复率 0 ?@ &#$%& ’’( +,&--6 7 86 9 9 : : ’:+,& ./ 86 )6 : ’’8:9 5 )9 &#$%& ’’) +,&--6 -* 86 8 : ’’’: :( 5 *) +,& ./ 86 *6 : ’’87( 5 *) &#$%& ’’* +,&--6 * 86 : : ’’’:9 5 ’-8 +,& ./ )6 ’’6 : 88879 5 ’-8（ ABC 晶体长 0 .. （ 直径 0 ..）5 长度 0 ..） 9 5 )9表 : & 8 & ’-! 过量光照引起的病理效应 光谱范围 紫外光： ’7- D 87-/.） （ （8-- D 9’:/.） （9’: D (--/.） 可见光： (-- D *7-/.） （ 红外光： *7- D ’(--/.） （ （’6 ( D 96 -!.） （96 -!. D ’..） 眼睛 光致角膜炎 光致角膜炎 光化学反应 光化学和热效应所致的视网膜损伤 白内障、 视网膜灼伤 白内障、 水分蒸发、 角膜灼伤 角膜灼伤 皮肤灼伤 皮肤 红斑， 色素沉着 加速皮肤老化过程 暗色 光敏感作用，! ! （’） 对眼睛的危害! 当眼睛受到过量照射时， 视网膜会烧伤， 引起视力下降， 甚至会 烧坏色素上皮和邻近的光感视杆细胞和视锥细胞， 导致视力丧失。 我国激光从业人员的损伤率超过千分之一， 其中有的基本丧失视力， 所以对眼睛的 防护要特别关注。 对皮肤的危害! 当脉冲激光的能量密度接近几焦耳每平方厘米或连续激光的功 （8） 皮肤就可能遭到严重的损伤。 率密度达到 -6 :4 0 E.8 时， 可见光波段 （(-- D *--/.） 和红外波段激光的辐射会使皮肤出现红斑、 进而发展为水 泡； 极短脉冲、 高峰值功率激光辐射会使皮肤表面炭化； 对紫外激光的危害和累积效应虽 然缺少充分研究， 但仍不可掉以轻心。二、 激光危害的工程控制（’） 最有效的措施是将整个激光系统置于不透光的罩子中。 （8） 对激光器装配防护罩或防护围封， 防护罩用以防止人员接受的照射量超过 &;,， 7*8标准分享网
免费下载第五篇! 高能束焊方法及设备防护围封用以避免人员受到激光照射。 （&） 工作场所的所有光路包括可能引起材料燃烧或二次辐射的区域都要预以封闭， 尽量使激光光路明显高于人体身高。表 # $ % $ &&! 激光辐射警告标志的尺寸 ! %# #( &(( &#( %(( +(( ,(( && () # & % & + &% &% &) # & , . &% %+ &, # &) %# %) # # *) # &( %( &( $& &() # %& +% ,& -+ &,%#% $% * &+ %+% #, &&% &,$& &) # * &+ %& %#, -+ （ 单位： ’’） % () # & % & + &%! !注： 尺寸 $& 、 % 、 & 、& 和 % 是推荐值。 $ $ &（+） 在激光加工设备上设置激光安全标志， 激光器无论是在使用、 维护或检修期间， 标志必须永久固定。 激光辐射警告标志一律采用图 # $ % $ *& 所示的正三角形， 标志中央为 %+ 条长短相 间的阳光辐射线， 其中长线 & 条、 中长线 && 条、 短线 &% 条， 图中各部分的尺寸见表 # $ % $ &&。图 # $ % $ *&! 激光辐射警告标志三、 激光危害的个人防护即使激光加工系统被完全封闭， 工作人员亦有接触意外反射激光或散射激光的可能 性， 所以， 个人防护也不能忽视。个人防护主要使用以下器材。 （&） 激光防护眼镜! 其最重要的部分是滤光片 有时是滤光片组合件） 它能选择性 （ ， 地衰减特定波长的激光， 并尽可能透过非防护波段的可见辐射。激光防护眼镜有普通眼 镜型、 防侧光型和半防侧光型等。 -*&第五篇! 高能束焊方法及设备（&） 激光防护面罩! 实际上是带有激光防护眼镜的面盔， 主要用于防紫外激光。 （#） 激光防护手套! 工作人员的双手最易受到过量的激光照射， 特别是高功率、 高能 量激光的意外照射对双手的威胁很大。 （$） 激光防护服! 防护服由耐火及耐热材料制成。&%$
焊接新技术新工艺实用指导手册第5篇高能束焊方法与设备5第2章激光焊与切割―汇集和整理大量word文档,专业文献,应用文书,考试资料,教学教材,办公文档,教程攻略,文档搜索下载下载,拥有海量中文文档库,关注高价值的实用信息,我们一直在努力,争取提供更多下载资源。