激光應(yīng)用焊接技術(shù)創(chuàng)新研修課課程報告

1、本科生創(chuàng)新研修課報告激光焊接應(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（或頻率）決定。一定的波長對應(yīng)一定的顏色。太陽輻射出的可 見光段的波長分布范圍約在 0.76微米至 0.4微米之間，對應(yīng)的顏色從紅色到紫色共 7 種顏 色，所以太陽光談不上單色性。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 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 的光波波長雖然單一，

2、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 為單色性之冠，波長分布的范圍仍有 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，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，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，使輻射光匯集起來向一個方

3、向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大 約只有 1 03-1 05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 直徑將覆蓋整個月球。而一個具有 10mW 功率的氦 氖激光器可產(chǎn)生比太陽高幾千倍的亮度，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，用這個能量能把鋼板打穿。然而，普通光源的光是向四面 八方發(fā)

4、射的，光能無法高度集中。普通光源上不同點發(fā)出的光在不同方向上、不同時間里 都是雜亂無章的，經(jīng)過透鏡后也不可能會聚在一點上。激光與普通光相比則大不相同。 因為它的頻率很單純， 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， 即激光的相位在時間上是保持不變的， 因此可以用透鏡把它們會 聚到一點上，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，這就叫相干 性高。一臺巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達(dá)1015w/cm，比太陽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， 能在焦點附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫， 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)量的評價通常認(rèn)為，光

5、束質(zhì)量是從質(zhì)的方面來評價激光的特性。但是，長時間以來，光束質(zhì)量一直 沒有確切的定義，也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，這給科研和應(yīng)用都帶來不便。20世紀(jì)90年代初,Siegman對描述激光光束質(zhì)量的M2因子給出較為完整的理論1,對光束主要特征量如光 束質(zhì)量、束寬和遠(yuǎn)場發(fā)散角及其傳輸變換的研究也進(jìn)入了一個新的層次，已延拓至非衍射轉(zhuǎn)換極限非高斯光束的實際任意光束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價某些特殊光學(xué)元件 和激光系統(tǒng)。但各種評價方法都存在著適用范圍和局限性，各種光束質(zhì)量的定義對應(yīng)于不同的應(yīng)用目的，所反映光束質(zhì)量的側(cè)重點也不同

6、，因此光束質(zhì)量的好壞，應(yīng)視具體的應(yīng)用目 的做出評價。下文主要介紹 M2因子光束質(zhì)量的評價方法，并簡述其他方法。光束質(zhì)量的描述必須用一個具體的量值表示，它應(yīng)該是從完整描述光波的無窮多信息 中抽取組合成的最能反映光束特征、最具有物理內(nèi)涵的一個量值，實際應(yīng)用中常用來評價光束質(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)國際標(biāo)準(zhǔn)化度量局的定義，用M2來衡量光束質(zhì)量。M2=實際光束的空間束寬積 興想光束的空間束寬積=nwo9 /4 n (1)式中的空間束寬積(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

7、角譜寬度(遠(yuǎn)場發(fā)散角)的乘積。光束傳輸因子為2K=1/M =4 入 / n 詢(2)其中,W0為光束的束腰直徑即其光斑寬度w(z)的極小值；9為遠(yuǎn)場發(fā)散角，定義為匸lim如Z ;入為波長3。J d zM2因子定義式中以理想基模高斯光束作為比較標(biāo)準(zhǔn)，這對實際工作中遇到的大多數(shù)情況是合適的。用與測不準(zhǔn)關(guān)系類似證明可知M21,對基模高斯光束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=woX91.1.5其他參數(shù)光束聚焦特性，聚焦后焦點半徑：焦點附近，光束橫截面積為焦點處2倍的兩個光束橫截面之間的距離稱為瑞利長度或 焦深：Ray

8、leigh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是L a s e r ，是“ Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation”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，簡稱受激光發(fā)射器或受激發(fā)射光或光激射器。下面簡單介紹下激光產(chǎn)生的原理。1.2.1自然光的產(chǎn)生普通光源的發(fā)光是由于原子能級的躍遷而產(chǎn)生的自發(fā)輻射，其輻射光頻率（或波長）與躍遷能級之間的關(guān)系可以用下式表達(dá)h為普朗克常數(shù)E2 - E1v 二h式中E2為上能級能量，E1為下能級能量，v為輻

9、射光頻率,這些發(fā)光原子是大量獨立振子，振子的自發(fā)輻射光波不是單色的， 不同振子發(fā)出的光 波的相位也是隨機變化的，所以自然光不是單頻相干光。這種由大量獨立振子自發(fā)輻射產(chǎn) 生的自然光只相當(dāng)于一種光頻范圍的隨機“噪聲”，很難達(dá)到較高的相干光強。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)而與輻射場無關(guān)的自發(fā)輻射過程。1.2.2激光的產(chǎn)生思路1917年愛因斯坦提出“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，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了 “激光原理”， 受激輻射可以得到一

10、種單色性、亮度又很高的新型光源5。那受激輻射是什么呢？如果一個粒子受到光子的作用，該光子能量為h V=E2-E1，那么有可能發(fā)生這樣一種情況，處于低能級E1的粒子會躍遷到一個高能級 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能量為h v=E2-E1的光子作用，該粒子就會從E2躍遷到E1，并同時輻射出一個與該光子完全一樣（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，對應(yīng)能態(tài) E2的集居數(shù)為N2，對應(yīng)能態(tài)E1的集居數(shù)為N1,個平 面波對應(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

11、光子通 冕的改變?yōu)閐F =；十（N2-N1）dZ它表示：如果（N2-N1） 0,則d F/d Z 0,該物質(zhì)起放大作用。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,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)，這種激勵或泵浦過 程是光放大的必要條件。但對于很多物質(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)

12、在受激輻射之前就可能發(fā)生了自發(fā)輻射，所以能用于激光產(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，這個放大過程受到工作物質(zhì)的限制，顯然工作物質(zhì)越長，光子通 量增加越多。但工作物質(zhì)的長度不能無限增長，為了讓有限長度的工作物質(zhì)得到充分的利 用，就引入兩個反射鏡構(gòu)成諧振腔。工作物質(zhì)就在腔內(nèi)，光在兩個反射鏡間反射時，多次 通過工作物質(zhì)，每通過一次就放大一次，光強就增加一次：實際上，光強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，光放大正是以集居數(shù)翻轉(zhuǎn)的減少為代

13、價 的，發(fā)出的激光越強，工作物質(zhì)的集居數(shù)反轉(zhuǎn)就變得越小，直至不能實現(xiàn)光的受激輻射放 大為止，這時，諧振腔內(nèi)的激光振蕩也就停止。由此可見，產(chǎn)生激光振蕩的條件有兩個： 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，就能實現(xiàn)激光振蕩，從而輸出更強的激光。所以 說激光器的最基本部分應(yīng)該是一個受激輻射光振蕩器，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： CO

14、2 ,N2 ,He 混合氣體，比例： 6%， 28%，66%；其中 CO2 分子負(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C02分子升溫。1.1.2 C02激光器的分類(1) 根據(jù)氣體流動方式分類 封閉管式：工作氣體在諧振腔中不流動； 慢流式：工作氣體在諧振腔中緩慢流動； 橫流式：工作氣體在諧振腔中流動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方式與光束傳播方向同軸。(2) 根據(jù)激勵方式分類 普通直流高壓激勵：直流升壓高壓整流 (16KV);逆變直流高壓激勵：交流變頻低壓整流直流升壓 (16KV); 射頻激勵：采用無線電波的頻率激勵；(3)

15、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：內(nèi)部光路增加折疊鏡，增加激光的振蕩強度以提高功率；1.1.3 Rofin擴散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生器。下面具體介紹 Rofin 擴散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生器的特點和工作原理(1) Rofin DC0XX 激光發(fā)生器的特點Rofin DCX00 系列激光發(fā)生器具有：結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量高、不需要氣體冷卻器、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)、沒有氣體流 動，不存在諧振腔內(nèi)光學(xué)元件污染問題、集成式自振蕩射頻發(fā)生器、可移動式激光頭、維 護費用低、無預(yù)熱開機即可使用等特點

16、。(2) Rofin DC0XX 激光發(fā)生器的工作原理1) C02激光的激發(fā)過程主要的工作物質(zhì)由C02,氮氣，氦氣三種氣體組成。諧振腔上下兩個極板通上高頻， 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。這時受到激發(fā)的氮分子與C02分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給 C02分子，C02分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光2） Rofin擴散冷卻板條式二氧化碳激光發(fā)生工作原理C02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，混合氣體通過該區(qū)域時放電，（鏡子3與7形成光學(xué)諧振器）被鏡子3與B7諧振后產(chǎn)生激光，波長為10.6 um的中

17、紅外波段。經(jīng)通道從1處射出，將激光引導(dǎo)到工 件上，用來做焊接或切割用。如圖 2所示。1 激光束z光束修整單元3. 輸出鏡4. 冷卻水出口5射頻激勵5冷卻水入口7后鏡8射頻擻勵放電9波導(dǎo)電披板條式擴散冷卻co激光器系統(tǒng)圖2.1.2固體激光器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C產(chǎn)，波長：694.3nm,三能級；Nd: YAG :激活離子：Nd，波長：1.065，四能級；（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

18、；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)歷了挽長曲折的道路。直到八十年代中后期，由 于高麟卒、緊湊、長壽命、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。先來說Nd: YAG激光特點：Nd: YAG激光波長1.06，可用于加工高反射率材料（如鋁/銅），激光活性

19、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，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功率的 15倍。盤式半導(dǎo)體泵浦YAG激光器具有以下優(yōu)點：熱透鏡效應(yīng)小，可以用于高光束品質(zhì) 150m光纖傳輸；940nm波長的泵浦源，轉(zhuǎn)換率高可達(dá)18%，而且更為可靠；激光波長為1030nm更為適用，不像10.6m的CQ激光器產(chǎn)生的激光只能用金屬反 射，市場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個聚光腔就可以取代4個聚光腔；不受材料

20、反射的影響，可以使用更長的光纖。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，通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)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， 便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要 有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由 GaA s （砷化傢），1 nA 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，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射

21、8。它的優(yōu)點如下：體積小，壽命長，并可采用 簡單 的注入電流的方式來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，可以機器人結(jié)合，完成高難度的空間焊接動作。幾種工業(yè)激光器的光束質(zhì)量比較如圖 3.100旳欝nW1001010,1 d21E Lt旦 丄 donpoa自 BE 更Hd EeaqJb.圖3.2.激光焊接技術(shù)國內(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)一固體受激物質(zhì)、脈沖激光 焊接一連續(xù)激光焊接、低功率-高功率、薄板一厚件、低速一高速、低頻-高頻及低效

22、一 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，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，通過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、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，使其在機械制造、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)用越來越廣9。下面介紹國內(nèi)和國外激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)一些激光設(shè)備與生產(chǎn)單位主要生產(chǎn) kW級的CO2激光設(shè)

23、備和1 kW以下的 固體YAG激光設(shè)備。對激光焊接研究主要集中在激光焊接等離子體形成機理、特性分析、檢測、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，進(jìn)行了 400 MPa和800 MPa 2種超細(xì)晶粒鋼的激光焊接試驗，并與等離子弧焊接、MAG焊接進(jìn)行了比較10。，都將無論是碳鋼或經(jīng)合金強化的高強度鋼，還是通過特殊冶金加工的高強度鋼，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

24、作用使HAZ出現(xiàn)軟化區(qū)。目前，對于高強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。國外以美國、歐盟、日本為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國家非常重視激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用激光技術(shù)列入國家發(fā)展計劃中 ,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、國防武器工業(yè)、造船工業(yè)、汽車工業(yè)、鐵路車輛工業(yè)、機械零 部件、電子工業(yè)、建材業(yè)及家電業(yè)等分別組合 ,利用集成和系統(tǒng)的工程方法進(jìn)行經(jīng)費資助 , 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 ,成為一項成熟的技術(shù)12。激光焊接技術(shù)的進(jìn)展主要是美國在 bender造修船有限公

25、司成功 完成了激光焊接系統(tǒng)焊接船體平面分段的試驗。 該項目是在美國國家造船先進(jìn)連接工藝計 劃、綜合激光光學(xué)控制焊接項目計劃和海軍研究局小企業(yè)創(chuàng)新研究項目計劃的共同支持下 完成的13。美國海軍已采用激光技術(shù)用于軍船制造 ,德國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)是一項亟待解決的問題14。由此看來， 國內(nèi)激光焊接技術(shù)基本還處在理論到生產(chǎn)的過度階段， 國外發(fā)展相對更快 一些。應(yīng)用方面，激光焊應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大 ,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)

26、域如對 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)在國外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用,據(jù)統(tǒng)計 ,2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過 1 00條,年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板 7 000萬件,并繼續(xù)以較高速度增長。 國內(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 ,在國內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn) 行了齒輪的激光焊接技術(shù) 1 5 ；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 ,顯示出獨特的

27、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 0.050.1 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激光器針對飛 機制造業(yè)中的各種材料、零部件 ,進(jìn)行焊接試驗及評估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。在歐盟國家中,意大利首先于20世紀(jì)70年代末從美國引進(jìn)15 kW的CO2激光器，隨后由聯(lián)盟對航空發(fā)動機、 航天工業(yè)中的各種容器及輕量級結(jié)構(gòu)立項

28、,開展了長達(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,新的應(yīng)用成果是鋁合金飛機機身的制造 ,用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘 ,從而減輕飛機機身的重量近 20%,提高強度近 20%,此項技術(shù)計 劃用于空中客車 3l8、 380以及一些無人駕駛飛機的制造 17。此外還有造船工業(yè)，汽車工業(yè)。總而言之，激光焊接技術(shù)以其高能量密度、深穿透、 高精度、適應(yīng)性強等優(yōu)點 ,能廣泛應(yīng)用于各個行業(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)焊接方法的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。在未來的 21 世紀(jì)中 ,激光焊接技術(shù) 在材料連接領(lǐng)域必將起到至關(guān)重要的作用。三、激光及激光填絲焊接實驗

29、報告1激光及激光填絲焊接原理與特點 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)焊對系統(tǒng)的擾動較小， 因為激光束的輻射沒有穿透 被焊材料，所以，在傳導(dǎo)焊過程中焊縫不易被氣體侵人；而深熔焊時，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： 激光焊接最大的特點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，焊接速度可達(dá)每分鐘10m

30、;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 x 光輻射；熱影響區(qū)小，焊接精度高；自動化程度高，適合工 業(yè)量產(chǎn)；2實驗內(nèi)容與現(xiàn)象分析實驗用 KUKA 機器人和光線激光器焊鋁合金板和鋼板，通過編寫 KUKA 的指令，可 以使機器人橫向沿一條直線運動并進(jìn)行焊接。實驗現(xiàn)象：試件表面有耀眼亮斑，并隨著焊接方向移動。這因為產(chǎn)生了等離子體。五、課程學(xué)習(xí)心得體會及意見經(jīng)過此次學(xué)習(xí)讓我對激光焊接有了較為深入的了解， 對于激光產(chǎn)生的物理原理： 受激輻射，激光器發(fā)生的條件：持續(xù)的能量輸入和能級反轉(zhuǎn)，都有了比較深刻的理解，同時在 寫報告的過程中也解決了自己沒有理解的部分， 比如在諧振腔中， 能級反轉(zhuǎn)和受激輻射是 怎樣同時進(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，實地操縱了焊接機器人和光纖激光器，并焊接了鋁板和鋼板，之后的金相制備 都提升了自己的實驗和動手能力。意見是在焊鋁板是激光器沒有出光，在焊鋼板時，出現(xiàn)了氧化參考文獻(xiàn)1 SIEGMAN A E. New Developments in Laser Resona-tors. C/SPIE, 1990,1