激光應(yīng)用焊接技術(shù)創(chuàng)新研修課課程報(bào)告

1、本科生創(chuàng)新研修課報(bào)告激光焊接應(yīng)用技術(shù)專 業(yè) 焊接技術(shù)與工程 學(xué) 生 任逸群 學(xué) 號(hào) 7132910605 授課教師 陶汪 日 期 2015.4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處制激光焊接應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新研修課報(bào)告一、激光焊接技術(shù)特性1激光技術(shù)原理1.1 激光的基本物理特性1.1.1 單色性光的顏色由光的波長(zhǎng)（或頻率）決定。一定的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一定的顏色。太陽(yáng)輻射出的可見(jiàn)光段的波長(zhǎng)分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對(duì)應(yīng)的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽(yáng)光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長(zhǎng)單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長(zhǎng)雖

2、然單一，但仍有一定的分布范圍。如 氖燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽(yù)為單色性之冠，波長(zhǎng)分布的范圍仍有0.00001納米，因此氖燈發(fā)出的紅光，若仔細(xì)辨認(rèn)仍包含有幾十種紅色。由此可見(jiàn)，光輻射的波長(zhǎng)分布區(qū)間越窄，單色性越好。  激光器輸出的光，波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，產(chǎn)生的632.8nm的譜線寬度只有109nm，而普通的光源譜線寬度是109nm，高出106以上，所以激光的單色性非常的好。1.1.2 方向性普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個(gè)方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡， 使輻射光匯集起來(lái)

3、向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有103-105弧度，接近平行。1962年，人類第 一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬(wàn)公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑 直徑將覆蓋整個(gè)月球。而一個(gè)具有10mW功率的氦氖激光器可產(chǎn)生比太陽(yáng)高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成面積很小但照度很高的亮斑。1.1.3 相干性一個(gè)幾十瓦的電燈泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直徑的小球內(nèi)，就可以得到很高的光功率密度，用這個(gè)能量能把鋼板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方發(fā)射的，光能無(wú)法高度集

4、中。普通光源上不同點(diǎn)發(fā)出的光在不同方向上、不同時(shí)間里都是雜亂無(wú)章的，經(jīng)過(guò)透鏡后也不可能會(huì)聚在一點(diǎn)上。激光與普通光相比則大不相同。因?yàn)樗念l率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，即激光的相位在時(shí)間上是保持不變的，因此可以用透鏡把它們會(huì)聚到一點(diǎn)上，形成相位整齊，規(guī)則有序的大振幅光波，把能量高度集中起來(lái)，這就叫相干性高。一臺(tái)巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達(dá)1015w/cm，比太陽(yáng)表面的亮度還高若干倍。具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。1.1.4 激光光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常認(rèn)為,光束質(zhì)量是從質(zhì)的方面來(lái)評(píng)價(jià)激光的特性。但

5、是,長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),光束質(zhì)量一直沒(méi)有確切的定義,也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法,這給科研和應(yīng)用都帶來(lái)不便。 20世紀(jì)90年代初,Siegman對(duì)描述激光光束質(zhì)量的M2因子給出較為完整的理論1,對(duì)光束主要特征量如光束質(zhì)量、束寬和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及其傳輸變換的研究也進(jìn)入了一個(gè)新的層次,已延拓至非衍射轉(zhuǎn)換極限非高斯光束的實(shí)際任意光束2。這一基于二階矩定義的光束質(zhì)量的M2因子（其中M為光束衍射極限倍數(shù)）,可以更客觀、至少在物理上更客觀地評(píng)價(jià)某些特殊光學(xué)元件和激光系統(tǒng)。但各種評(píng)價(jià)方法都存在著適用范圍和局限性,各種光束質(zhì)量的定義對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用目的,所反映光束質(zhì)量的側(cè)重點(diǎn)也不同,因此光束質(zhì)量的好壞,應(yīng)視具體的應(yīng)用目的做出評(píng)

6、價(jià)。下文主要介紹M2因子光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，并簡(jiǎn)述其他方法。光束質(zhì)量的描述必須用一個(gè)具體的量值表示,它應(yīng)該是從完整描述光波的無(wú)窮多信息中抽取組合成的最能反映光束特征、最具有物理內(nèi)涵的一個(gè)量值,實(shí)際應(yīng)用中常用來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的方法有M2因子、衍射極限倍數(shù)、桶中功率比、斯特列爾比等。我所查閱的是M2因子，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化度量局的定義,用M2來(lái)衡量光束質(zhì)量。M2=實(shí)際光束的空間束寬積÷理想光束的空間束寬積=w0/4 (1)式(1)中的空間束寬積(space-beam width product)是指光束在空間域中的寬度(束腰寬度)和在空間頻率域中的角譜寬度(遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角)的乘積。光束傳輸因子為K

7、=1/M2=4/w0 (2)其中,w0為光束的束腰直徑即其光斑寬度w(z)的極小值;為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,定義為=;為波長(zhǎng)3。M2因子定義式中以理想基模高斯光束作為比較標(biāo)準(zhǔn),這對(duì)實(shí)際工作中遇到的大多數(shù)情況是合適的。用與測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系類似證明可知M2 1,對(duì)基模高斯光束M2= 1,M2值越大,則光束質(zhì)量越差。另外還有BPP光束參數(shù)積（Beam Parameter Product)BPP=w0×1.1.5 其他參數(shù)光束聚焦特性，聚焦后焦點(diǎn)半徑： (3) 焦點(diǎn)附近，光束橫截面積為焦點(diǎn)處2倍的兩個(gè)光束橫截面之間的距離稱為瑞利長(zhǎng)度或焦深： (4)示意如圖1.圖1. 1.2 激光產(chǎn)生的基本原理激光的英文名稱

8、是L a s e r ，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫，意思是“受激輻射的光放大”4。顧名思義，它表示一種受激輻射光放大發(fā)射器，也表示受激輻射光放大發(fā)射光，簡(jiǎn)稱受激光發(fā)射器或受激發(fā)射光或光激射器。下面簡(jiǎn)單介紹下激光產(chǎn)生的原理。1.2.1 自然光的產(chǎn)生普通光源的發(fā)光是由于原子能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的自發(fā)輻射，其輻射光頻率(或波長(zhǎng))與躍遷能級(jí)之間的關(guān)系可以用下式表達(dá) (5)式中E2為上能級(jí)能量，E1為下能級(jí)能量，v為輻射光頻率，h為普朗克常數(shù)。這些發(fā)光原子是大量獨(dú)立振子，振子的自發(fā)輻射光波不是單色的，不同振子發(fā)出

9、的光波的相位也是隨機(jī)變化的,所以自然光不是單頻相干光。這種由大量獨(dú)立振子自發(fā)輻射產(chǎn)生的自然光只相當(dāng)于一種光頻范圍的隨機(jī)“噪聲”，很難達(dá)到較高的相干光強(qiáng)。從本質(zhì)上講，自發(fā)躍遷是一種只與原子本身性質(zhì)有關(guān)而與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)輻射過(guò)程。1.2.2 激光的產(chǎn)生思路1917 年愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1958年美國(guó)科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)他們將閃光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時(shí)，晶體的分子會(huì)發(fā)出鮮艷的、始終會(huì)聚在一起的強(qiáng)光。由此他們提出了“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源5。那受激輻射是什么呢？如果一個(gè)粒子受到光子的作用，該光子

10、能量為h v=E2-E1，那么有可能發(fā)生這樣一種情況，處于低能級(jí)E1的粒子會(huì)躍遷到一個(gè)高能級(jí)E2上。該種變化成為受激吸收。如圖2.而受激輻射是處于E2的粒子在自發(fā)輻射之前又受到一個(gè)能量為h v=E2-E1的光子作用，該粒子就會(huì)從E2躍遷到E1，并同時(shí)輻射出一個(gè)與該光子完全一樣（頻率，相位，傳播方向，偏振方向均相同）的光子。下面提出產(chǎn)生激光的構(gòu)想：假設(shè)在某一物質(zhì)中，對(duì)應(yīng)能態(tài)E2的集居數(shù)為N2，對(duì)應(yīng)能態(tài)E1的集居數(shù)為N1,一個(gè)平面波對(duì)應(yīng)的光子通量正沿著物質(zhì)的軸向Z傳播。由于受激吸收和受激輻射而產(chǎn)生的光子通冕的改變?yōu)樗硎荆喝绻?N2-N1) > 0,則d F/d Z > 0,該物質(zhì)起放

11、大作用。如果(N2-N1) < 0,則物質(zhì)總是起衰減做用。在熱平衡條件下，各能態(tài)的集居數(shù)是按玻爾茲曼分布，即(N2-N1) < 0，所以物質(zhì)總是以吸收為主。但如果(N2-N1) > 0，該物質(zhì)的受激輻射作用大于受激吸收作用，該物質(zhì)就可以產(chǎn)生更多的光子通量而作為光放大器。我們把這種特殊狀態(tài)稱之集居數(shù)反轉(zhuǎn)，指與通常狀態(tài)的集居數(shù)分布不同。我們稱這種具有集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)為激光工作物質(zhì)。只有在外界的激勵(lì)或泵浦下，才能使物質(zhì)處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種激勵(lì)或泵浦過(guò)程是光放大的必要條件。但對(duì)于很多物質(zhì)受激輻射產(chǎn)生的高能態(tài)是不穩(wěn)定的，這就使得該物質(zhì)在受激輻射之前就可能發(fā)生了自發(fā)輻射，所以能用

12、于激光產(chǎn)生的物質(zhì)應(yīng)當(dāng)有穩(wěn)定的高能態(tài)，而存在亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)往往在亞穩(wěn)態(tài)很穩(wěn)定，適合產(chǎn)生激光。在集居數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，光沿著工作物質(zhì)的軸向 Z 傳播，能使光子通量增加，即由于受激輻射而得到放大，這個(gè)放大過(guò)程受到工作物質(zhì)的限制，顯然工作物質(zhì)越長(zhǎng)，光子通量增加越多。但工作物質(zhì)的長(zhǎng)度不能無(wú)限增長(zhǎng)，為了讓有限長(zhǎng)度的工作物質(zhì)得到充分的利用，就引入兩個(gè)反射鏡構(gòu)成諧振腔。工作物質(zhì)就在腔內(nèi)，光在兩個(gè)反射鏡間反射時(shí)，多次通過(guò)工作物質(zhì)，每通過(guò)一次就放大一次，光強(qiáng)就增加一次:實(shí)際上，光強(qiáng)的增加正是由于高能態(tài)原子向低能態(tài)受激躍遷的結(jié)果。也就是說(shuō)，光放大正是以集居數(shù)翻轉(zhuǎn)的減少為代價(jià)的，發(fā)出的激光越強(qiáng)，工作物質(zhì)的集居數(shù)反轉(zhuǎn)就變得

13、越小，直至不能實(shí)現(xiàn)光的受激輻射放大為止，這時(shí)，諧振腔內(nèi)的激光振蕩也就停止。由此可見(jiàn)，產(chǎn)生激光振蕩的條件有兩個(gè)：一是存在集居數(shù)的反轉(zhuǎn)，有穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài);二是光在腔內(nèi)往返一次增益大于生，保證能量的持續(xù)輸入。只要有集居數(shù)能一直反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)就能實(shí)現(xiàn)光的受激輻射放大，只要加上反射鏡構(gòu)成諧振腔，相當(dāng)于引進(jìn)正反饋，就能實(shí)現(xiàn)激光振蕩，從而輸出更強(qiáng)的激光。所以說(shuō)激光器的最基本部分應(yīng)該是一個(gè)受激輻射光振蕩器，或受激輻射再生放大器。二、激光焊接技術(shù)應(yīng)用1工業(yè)激光器種類及應(yīng)用特點(diǎn)1.1 CO2激光器1.1.1 CO2激光器的工作介質(zhì)工作介質(zhì)為：CO2 ,N2 ,He混合氣體，比例：6%，28%，66%；其中CO2 分

14、子負(fù)責(zé)受激輻射發(fā)射激光，N2分子負(fù)責(zé)將能量傳遞給CO2，He起到冷卻作用，組織CO2 分子升溫。1.1.2 CO2激光器的分類(1) 根據(jù)氣體流動(dòng)方式分類封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動(dòng)；慢流式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動(dòng)；橫流式：工作氣體在諧振腔中流動(dòng)方式與光束傳播方向垂直；軸流式：工作氣體在諧振腔中流動(dòng)方式與光束傳播方向同軸。 (2)根據(jù)激勵(lì)方式分類 普通直流高壓激勵(lì)：直流升壓高壓整流(16KV); 逆變直流高壓激勵(lì)：交流變頻低壓整流直流升壓(16KV); 射頻激勵(lì)：采用無(wú)線電波的頻率激勵(lì)； (3)根據(jù)諧振腔形式分類 單管直腔式：光束在直線式的腔中振蕩，通常用于慢流式激光器； 折疊腔式：

15、內(nèi)部光路增加折疊鏡，增加激光的振蕩強(qiáng)度以提高功率； 1.1.3 Rofin擴(kuò)散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生器。下面具體介紹Rofin擴(kuò)散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生器的特點(diǎn)和工作原理(1)Rofin DC0XX激光發(fā)生器的特點(diǎn)Rofin DCX00系列激光發(fā)生器具有：結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量高、不需要?dú)怏w冷卻器、激光功率損失非常低、較高的熱穩(wěn)定性、氣體消耗量低、不需要外部供氣系統(tǒng)、沒(méi)有氣體流動(dòng)，不存在諧振腔內(nèi)光學(xué)元件污染問(wèn)題、集成式自振蕩射頻發(fā)生器、可移動(dòng)式激光頭、維護(hù)費(fèi)用低、無(wú)預(yù)熱開機(jī)即可使用等特點(diǎn)。(2) Rofin DC0XX激光發(fā)生器的工作原理1) CO2激光的激發(fā)過(guò)程主要的工作物質(zhì)由CO2，氮

16、氣，氦氣三種氣體組成。諧振腔上下兩個(gè)極板通上高頻，混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來(lái)。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子與CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。2) Rofin擴(kuò)散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生工作原理CO2激光器是以二氧化碳?xì)怏w作為工作介質(zhì)的氣體激光器。在電極板（9）之間通上高頻電壓激勵(lì)，混合氣體通過(guò)該區(qū)域時(shí)放電，（鏡子3與7形成光學(xué)諧振器）被鏡子3與7諧振后產(chǎn)生激光，波長(zhǎng)為10.6 um的中紅外波段。經(jīng)通道從1處射出，將激光引導(dǎo)到工件上，用來(lái)做焊接或切割用。如圖2所示6。圖2. 1.2 固體激光器

17、1.2.1 固體激光器分類 (1)根據(jù)工作介質(zhì)分類 紅寶石：激活離子Cr3+，波長(zhǎng)：694.3nm，三能級(jí)； Nd：YAG：激活離子：Nd，波長(zhǎng)：1.06，四能級(jí)； (2)根據(jù)泵浦方式分類： 氪閃光燈泵浦：脈沖氪燈照射在工作物質(zhì)棒，輸出方式：脈沖； 氪弧光燈泵浦：連續(xù)氪弧燈照射在工作物質(zhì)棒上，輸出方式：連續(xù)； 二極管泵浦：采用陣列二極管照射工作物質(zhì)棒上，輸出方式：連續(xù)和脈沖； 調(diào)Q激光器：采用調(diào)Q技術(shù)使得激光的脈沖能量大大提高（幾百千瓦），脈沖寬度：100-500ns，頻率：幾百-62kHz。 1.2.2盤式半導(dǎo)體泵浦YAG激光器六十年代固體激光器的誕生和發(fā)展,誘發(fā)了光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的巨大革命,促

18、進(jìn)了物理學(xué)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。但從七十年代到八十年代,隨著氣體激光器和液體激光器的迅速發(fā)展,固體激光器卻受其低效率和熱效應(yīng)的影響,經(jīng)歷了挽長(zhǎng)曲折的道路。直到八十年代中后期,由于高麟卒、緊湊、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定和全固態(tài)的DPL器件出現(xiàn)與發(fā)展,才使固體激光器回春,出現(xiàn)復(fù)興7。先來(lái)說(shuō)Nd：YAG激光特點(diǎn)：Nd：YAG激光波長(zhǎng)1.06，可用于加工高反射率材料（如鋁/銅），激光活性物質(zhì)釹（Nd3+離子)位于釔-鋁-石榴石(Y-A-G)組成的固體晶體中，該晶體通常呈棒狀，當(dāng)光束質(zhì)量較高時(shí)，也有可能為碟狀或片狀。工業(yè)應(yīng)用的脈沖Nd：YAG激光器的電源系統(tǒng)較為特殊，可輸出較高的功率，但平均功率較低，峰值功率可以是平均

19、功率的15倍。盤式半導(dǎo)體泵浦YAG激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱透鏡效應(yīng)小，可以用于高光束品質(zhì)150光纖傳輸；940nm波長(zhǎng)的泵浦源，轉(zhuǎn)換率高可達(dá)18%，而且更為可靠；激光波長(zhǎng)為1030nm更為適用，不像10.6的CO2激光器產(chǎn)生的激光只能用金屬反射，市場(chǎng)上有很多玻璃鏡片可以用于光線的傳輸，此外，也可以用光纖傳輸；采用1個(gè)聚光腔就可以取代4個(gè)聚光腔；不受材料反射的影響，可以使用更長(zhǎng)的光纖。 1.3 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件。其工作原理是，通過(guò)一定的激勵(lì)方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶(導(dǎo)帶與價(jià)帶)之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)

20、非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí)，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵(lì)式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由 G aA s (砷化鎵)，lnA s (砷化銦 )，InSb (銻化銦 )等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射8。它的優(yōu)點(diǎn)如下：體積小，壽命長(zhǎng)，并可采用 簡(jiǎn)單 的注入電流的方式來(lái)泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而可與之單片集成。 并且還可以用高達(dá)GHz的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出。 1.4 光纖激光器光纖激光器是柔性的，可以機(jī)器人

21、結(jié)合，完成高難度的空間焊接動(dòng)作。幾種工業(yè)激光器的光束質(zhì)量比較如圖3.圖3.2 激光焊接技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀激光焊接技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了固體受激物質(zhì)氣體受激物質(zhì)固體受激物質(zhì)、脈沖激光焊接連續(xù)激光焊接、低功率高功率、薄板厚件、低速高速、低頻高頻及低效高效的歷史。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接過(guò)程屬于熱傳導(dǎo)型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù),使工件熔化,形成特定的熔池。由于激光焊接作為1種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法,隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊

22、接聚束物鏡等的研制成功,使其在機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)、造船工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)、微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣9。下面介紹國(guó)內(nèi)和國(guó)外激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)一些激光設(shè)備與生產(chǎn)單位主要生產(chǎn)kW級(jí)的CO2激光設(shè)備和1 kW以下的固體YAG激光設(shè)備。對(duì)激光焊接研究主要集中在激光焊接等離子體形成機(jī)理、特性分析、檢測(cè)、控制、深熔激光焊接模擬、激光-電弧復(fù)合熱源的應(yīng)用、激光堆焊、超級(jí)鋼焊接、水下激光焊接、寬板激光拼焊、填絲激光焊、鋁合金激光焊、激光切割質(zhì)量控制等。清華大學(xué)彭云等人分析了超細(xì)晶粒鋼的焊接性及激光焊接的特點(diǎn),進(jìn)行了400 MPa和800 MPa 2種超細(xì)晶粒鋼的激光焊接試驗(yàn),

23、并與等離子弧焊接、MAG焊接進(jìn)行了比較10。無(wú)論是碳鋼或經(jīng)合金強(qiáng)化的高強(qiáng)度鋼,還是通過(guò)特殊冶金加工的高強(qiáng)度鋼,在快速加熱和冷卻的激光焊條件下,一方面接頭的硬度大大高于母材,使接頭易產(chǎn)生裂紋;另一方面激光的再熱作用使HAZ出現(xiàn)軟化區(qū)。目前,對(duì)于高強(qiáng)度鋼激光焊接性方面的研究還不足,其應(yīng)用還缺少更多的數(shù)據(jù),需進(jìn)一步深入研究11。國(guó)外以美國(guó)、歐盟、日本為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,都將激光技術(shù)列入國(guó)家發(fā)展計(jì)劃中,投以巨資。僅就激光焊接這一加工技術(shù),先后將其與航空工業(yè)、航天工業(yè)、核能設(shè)備、國(guó)防武器工業(yè)、造船工業(yè)、汽車工業(yè)、鐵路車輛工業(yè)、機(jī)械零部件、電子工業(yè)、建材業(yè)及家電業(yè)等分別組合,利

24、用集成和系統(tǒng)的工程方法進(jìn)行經(jīng)費(fèi)資助,研究開發(fā)。目前激光焊接技術(shù)已達(dá)到與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相融合,將其制訂為行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或工藝,成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)12。激光焊接技術(shù)的進(jìn)展主要是美國(guó)在bender造修船有限公司成功完成了激光焊接系統(tǒng)焊接船體平面分段的試驗(yàn)。該項(xiàng)目是在美國(guó)國(guó)家造船先進(jìn)連接工藝計(jì)劃、綜合激光光學(xué)控制焊接項(xiàng)目計(jì)劃和海軍研究局小企業(yè)創(chuàng)新研究項(xiàng)目計(jì)劃的共同支持下完成的13。美國(guó)海軍已采用激光技術(shù)用于軍船制造,德國(guó)已大量采用大功率激光用于潛艇結(jié)構(gòu)件或零部件連接,因此大力推廣大功率激光造船技術(shù)是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題14。由此看來(lái)，國(guó)內(nèi)激光焊接技術(shù)基本還處在理論到生產(chǎn)的過(guò)度階段，國(guó)外發(fā)展相對(duì)更快一些。應(yīng)用方面

25、，激光焊應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大,主要應(yīng)用于:制造業(yè)應(yīng)用、粉末冶金領(lǐng)域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、塑料激光焊接應(yīng)用、新材料激活激光焊接應(yīng)用、航空航天工業(yè)、造船工業(yè)、其他領(lǐng)域如對(duì)BT20鈦合金、HEl30合金、Li- ion電池等激光焊接。制造業(yè)領(lǐng)域激光拼焊技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用,據(jù)統(tǒng)計(jì),2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過(guò)100條,年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7 000萬(wàn)件,并繼續(xù)以較高速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat,Buick,Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本在世界上首次成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸汽發(fā)生器細(xì)管的維修等,在國(guó)內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光

26、焊接技術(shù)15；電子工業(yè)領(lǐng)域,特別是微電子工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中,顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。在真空器件研制中,激光焊接也得到了應(yīng)用,如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05 0.1 mm,采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決,TIG焊容易焊穿,等離子穩(wěn)定性差,影響因素多,而采用激光焊接效果很好,得到廣泛的應(yīng)用16。航空航天工業(yè)，美國(guó)在20世紀(jì)70年代初的航空、航天工業(yè)中即已利用15 kW的CO2激光器針對(duì)飛機(jī)制造業(yè)中的各種材料、零部件,進(jìn)行焊接試驗(yàn)及評(píng)估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。在歐盟國(guó)家中,意大利首先于20世紀(jì)70年代末從美國(guó)引進(jìn)1

27、5 kW的CO2激光器,隨后由聯(lián)盟對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天工業(yè)中的各種容器及輕量級(jí)結(jié)構(gòu)立項(xiàng),開展了長(zhǎng)達(dá)8年的激光焊接應(yīng)用研究。材料涉及鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金等。近年來(lái),新的應(yīng)用成果是鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造,用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘,從而減輕飛機(jī)機(jī)身的重量近20%,提高強(qiáng)度近20%,此項(xiàng)技術(shù)計(jì)劃用于空中客車3l8、380以及一些無(wú)人駕駛飛機(jī)的制造17。此外還有造船工業(yè)，汽車工業(yè)?？偠灾?，激光焊接技術(shù)以其高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，發(fā)展到今天，激光焊接技術(shù)其逐步取代電弧焊、電阻焊等傳統(tǒng)焊接方法的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。在未來(lái)的21世紀(jì)中,激光焊接技術(shù)在材料連接領(lǐng)域必

28、將起到至關(guān)重要的作用。三、激光及激光填絲焊接實(shí)驗(yàn)報(bào)告1激光及激光填絲焊接原理與特點(diǎn)激光焊接分為兩種，熱導(dǎo)焊和深熔焊。其中深熔焊是大功率激光器將表面金屬氣化，形成匙孔而產(chǎn)生的深熔深的焊接，這兩種方式最根本的區(qū)別在于：前者熔池表面保持封閉，而后者熔池則被激光束穿透成孔。傳導(dǎo)焊對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)較小，因?yàn)榧す馐妮椛錄](méi)有穿透被焊材料，所以，在傳導(dǎo)焊過(guò)程中焊縫不易被氣體侵人；而深熔焊時(shí)，小孔的不斷關(guān)閉能導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生18。激光焊具有以下主要特點(diǎn)：激光焊接最大的特點(diǎn)是選擇適合的焊接材料和功率密度，可以得到穩(wěn)定的焊接形態(tài)。高能密度-匙孔深熔焊，對(duì)工件熱影響小，即變形小，能夠形成大深寬比的焊縫；能夠高速焊接，焊接

29、速度可達(dá)每分鐘10m；與弧焊相比較，容易起停；與電子束焊接相比，能夠在大氣環(huán)境中焊接，而且無(wú)x光輻射；熱影響區(qū)小，焊接精度高；自動(dòng)化程度高，適合工業(yè)量產(chǎn)；2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)用KUKA機(jī)器人和光線激光器焊鋁合金板和鋼板，通過(guò)編寫KUKA的指令，可以使機(jī)器人橫向沿一條直線運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：試件表面有耀眼亮斑，并隨著焊接方向移動(dòng)。這因?yàn)楫a(chǎn)生了等離子體。5、 課程學(xué)習(xí)心得體會(huì)及意見(jiàn)經(jīng)過(guò)此次學(xué)習(xí)讓我對(duì)激光焊接有了較為深入的了解，對(duì)于激光產(chǎn)生的物理原理：受激輻射，激光器發(fā)生的條件：持續(xù)的能量輸入和能級(jí)反轉(zhuǎn)，都有了比較深刻的理解，同時(shí)在寫報(bào)告的過(guò)程中也解決了自己沒(méi)有理解的部分，比如在諧振腔中，能級(jí)反轉(zhuǎn)和受激輻射是怎樣同時(shí)進(jìn)行的，為什么在諧振腔中多次反射能夠起到放大作用。此外，實(shí)地操縱了焊接機(jī)器人和光纖激光器，并焊接了鋁板和鋼板，之后的金相制備都提升了自己的實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手能力。意見(jiàn)是在焊鋁板是激光器沒(méi)有出光，在焊鋼板時(shí)，出現(xiàn)了氧化。參考文獻(xiàn)1 SIEGMAN A E. New Developments in Laser Resona-tors. C/SPIE, 19