激光焊接设备及工艺讲义1.doc

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激光焊接设备及工艺（讲义）
1．概述
激光焊接是将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用，使材料内部熔化实现焊接的。
激光加工体现出的优越性主要是由于激光具有单色性（单一的光频或很窄的光谱范围）。因为光聚焦时的焦距和焦斑尺寸与频率有关，单色光可或得最好的聚焦效果和最大的能量密度；材料对光的吸收也与光频有关，单色光可提高光的利用效率。
激光焊接是激光加工技术之一，其它激光加工技术包括：激光打孔，激光切割，激光打标，激光表面处理等等。
（1）激光打孔
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是目前激光加工的主要应用领域之一。1960年世界上第一台红宝石激光器问世（长春光机所1961年就研究出我国第一台红宝石固体激光器），1962年就率先应用于刀片的打孔。我国1970年左右已经开始使用红宝石激光器和钕玻璃激光器对手表轴承进行打孔；70年代对金刚石和人造金刚石拉丝模进行激光打孔。
激光打孔原理：
激光作用于金属材料时被材料吸收，对材料产生加热效应。激光对材料加热作用的强度主要取决于激光的功率密度，当激光的功率密度达到106~109W/cm2时会使被辐射的金属材料产生熔化或气化。激光打孔就是利用气化去除作用实现加工过程，也叫蒸发加工。
激光打孔特点图1激光打孔
1）速度快、效率高
对于功率密度为106~109W/cm2的激光束，可使材料瞬间气化，作用时间仅为10-3~10-5s。与电火花打孔及机械钻孔相比，效率可提高10~100倍。
例1：用机械方法在金刚石拉丝模上打一深1.25mm的孔需24h，用红宝石激光打孔只需6~9min，而用YAG激光打孔只需2s。
例2：用机械方法在钟表宝石轴承上打孔（孔径为0.3mm），每分钟只能打0.2个孔，用红宝石激光打孔每秒钟可以打出10~14个孔。
2）大深径比
在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔，所获得的深径比不超过10。而激光打孔的深径比则高得多。
例1：（带Q开关的）连续波YAG激光器在镍基高温耐腐蚀合金的高熔点金属上打2~10μm的小孔，其深径比为250∶1。
例2：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深径比为28∶1。
例3在厚度为16.2mm的碳钢上，打出孔径为0.25mm的小孔、其深径比为65∶1。：
3）适应于各种材料
高能量激光束打孔几乎不受材料性质的限制，它既适合于金属材料，也适合于难以加工的非金属材料。如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。这些材料一般有高强度、高硬度并且易碎的特点，采用一般机械钻孔的方法加工非常困难。采用激光打孔的方法则相对容易进行。
例1：我国钟表行业所用的宝石轴承几乎全部是激光打孔；人造金刚石和天然金刚石激光打孔应用也非常普遍。
例2：用YAG激光器在厚度为5.5mm的硬质合金上打出深径比高达14∶1的孔；在11.5mm厚的65Mn上可打出深径比为19∶1的小孔；在10mm厚坚硬的氮化硅陶瓷上容易地打出直径为0.6mm的小孔。这些都是常规打孔手段无法做到的。
例3：在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于奶嘴材料弹性好易变形，使得孔形不规则，打孔比较困难，用激光可以打出高质量的孔。
例4：激光在尼龙纽扣上打孔可避免机械打孔产生的碎屑，并能够消除使缝纫线割断的棱角。
4）无接触加工（无工具损耗）
用机械方法钻0.8mm以下的小孔时，即使在铝这样较软的材料上也常常出现钻头折断的问题，不仅造成工具损耗，而且会因钻头折断而使整个工件作废。激光打孔为无接触加工，不会出现上述问题。
5）适合大量、高密度群孔加工
激光容易实现微机自动化控制，并且可以做成多路分光系统，因此非常适合于大量高密度的群孔加工。
例1：食品、医药行业使用的过滤片为厚度1~3mm的不锈钢，孔径为0.3~0.8mm，密度为10~100孔/。cm2
例2：为打到节油40%的目标，有在飞机的机翼上打出5万个直径为0.064mm的孔。
6）难加工材和斜面孔加工
对于一般机械打孔来说，在倾斜面上打孔（尤其是难加工材料）非常困难，主要是因为在入钻时两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至折断钻头。采用激光打孔则不存在这个问题。
7）容易加工出异形孔
激光束形状可用光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前放置一个所需形状的孔栏（掩膜），即可打出异形孔。用此法甚至可以加工出微型齿轮。
（2）激光切割
激光束可聚焦成很小的光点（直径可小于0.1mm），当焦点处功率密度超过106W/cm2时，光束输入的热量远大于被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至气化温度，在材料蒸发压力下形成小孔。随着光线的移动，小孔连续形成很窄的切缝（如0.1mm左右）。
激光切割在工业应用中的