第3章 激光加工技術(shù)

第三章激光加工技術(shù)

3.激光表面改性技術(shù)2.激光焊接1.激光打孔和切割4.激光清洗技術(shù)

2023/1/12

3.1激光打孔和切割1、激光打孔在元件上開個小孔是件很常見的事。但是，如果要求在堅硬的材料上，比如在硬質(zhì)合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔，用普通的機械加工工具怕是不容易辦到，即使能夠做，加工成本也會很高。現(xiàn)有的機械加工技術(shù)在材料上打微型小孔是采用每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)或者幾十萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)小鉆頭加工的，用這個辦法一般也只能加工孔徑大于0.25毫米的小孔。在今天的工業(yè)生產(chǎn)中往往是要求加工直徑比這還小的孔。比如在電子工業(yè)生產(chǎn)中，多層印刷電路板的生產(chǎn)，就要求在板上鉆成千上萬個直徑約為0.1～0.3毫米的小孔。顯然，采用剛才說的鉆頭來加工，遇到的困難就比較大，加工質(zhì)量不容易保證，加工成本不低。早在本世紀60年代后，科學家在實驗室就用激光在鋼質(zhì)刀片上打出微小孔，經(jīng)過近30年的改進和發(fā)展，如今用激光在材料上打微小直徑的小孔已無困難，而且加工質(zhì)量好。打出的小孔孔壁規(guī)整，沒有什么毛刺。打孔速度又很快，大約千分之一秒的時間就可以打出一個孔。

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激光打孔原理：加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適當選擇各加工參數(shù)，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要的孔。

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1）、功率密度要求106~109W/cm2的脈沖激光2）、孔深（激光打孔宜采用高功率密度的脈沖激光打孔。）

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3）、打孔質(zhì)量的影響因素（脈寬和聚焦位置）怎樣用好激光“鉆頭”？A、脈沖能量一定時：脈寬增加，功率密度下降，融熔了的材料沒有辦法充分汽化，卻把在它附近的材料加熱，使熔化層增厚，結(jié)果，被打出來的小孔在形狀大小上就不那么規(guī)整。如果使用的是高重復率激光器輸出的光脈沖，這時每個光脈沖平均的能量并不很高，但由于光脈沖的寬度窄，功率水平卻不低。于是每個激光脈沖在材料上形成的融熔體不多，主要是發(fā)生汽化。由于使小孔附近的材料加熱時融熔體很少，因而也就不出現(xiàn)在用單脈沖打孔時出現(xiàn)的事。打出的小孔形狀和大小就規(guī)整得多了。B、焦點位置的選擇：對于比較厚的材料，激光束焦點位置應(yīng)位于工件的內(nèi)部，如果材料比較薄，激光束焦點需放在工件表面的上方。這樣的安排會讓打出來的小孔上下大小基本上一致，不出現(xiàn)“桶狀”的小孔。

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離焦量對打孔質(zhì)量的影響※激光打孔中離焦量對打孔的影響

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4）、激光打孔的應(yīng)用陶瓷·Φ0.5mm孔·激光打孔

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葉片是噴氣渦輪發(fā)動機的重要部件之一。工作狀態(tài)下，該部件在高溫燃氣中高速旋轉(zhuǎn)。為提高葉片的耐高溫性能，人們正在積極研制一種新型葉片，該葉片具有特殊的中空結(jié)構(gòu)，并在表面用激光打孔工藝制作了一系列與中空部分貫通的小孔。工作時向葉片中空部分不斷灌入冷氣，經(jīng)小孔泄出后在葉片表面形成冷氣保護膜。這樣葉片雖處于高溫燃氣之中，其本身溫度相對而言并不很高。顯然，這種設(shè)計極大地改善了葉片的耐高溫性能，有益于延長葉片的使用壽命。葉片·Φ0.5mm小孔·激光打孔

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過濾板·82萬個Φ0.7mm孔(3mm厚不銹鋼板)國家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》第11.3.1.1及11.3.1.2條發(fā)電機內(nèi)冷水系統(tǒng)濾網(wǎng)需要將鋼絲、銅絲濾網(wǎng)等更換為激光打孔的不銹鋼板新型水過濾器濾網(wǎng)，防止濾網(wǎng)破碎進入發(fā)電機線圈。采用了高強度激光打出的微孔不銹鋼網(wǎng)板，可阻擋雜質(zhì)及顆粒進入發(fā)電機線棒，防止雜質(zhì)堆積造成線棒阻塞的事故發(fā)生。

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治療冠心病的最后一招心肌激光打孔

心肌激光打孔術(shù)的“靈感”源于鱷魚、蛇等兩棲類動物。早在1933年就有科學家發(fā)現(xiàn)兩棲類動物的心外膜冠脈系統(tǒng)不發(fā)達，心肌呈海綿狀，內(nèi)有大量的管狀腔隙及竇狀隙與心腔相通。兩棲類動物的心肌血供并非來自冠脈系統(tǒng)，而是左室腔內(nèi)的氧飽和血通過心肌內(nèi)腔隙直接灌注到心肌。1965年醫(yī)生們試著采用針頭穿刺心肌產(chǎn)生心肌內(nèi)孔道以達到心肌血運重建的目的。80年代以后，應(yīng)用激光進行心肌血運重建獲得成功。激光心肌血管重建手術(shù)分為兩類：一是心外膜法，即開胸式，是從心外膜向心腔內(nèi)打孔，直至將心肌打穿形成隧道。另一種是心內(nèi)膜法，它是將激光通過光導纖維從股動脈進入左心室，從左心室心內(nèi)膜向外打孔形成隧道，但不需要打穿心肌。它可以做到創(chuàng)傷很小，在心內(nèi)科即可操作。

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激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。

目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。

A、金剛石拉絲模的激光打孔激光加工金剛石模具，不僅能節(jié)省許多昂貴的鉆石粉，而且與常規(guī)的機械超聲加工法相比，提高了加工效率。用機械鉆孔機打通一個20點的金剛石需要24小時，而用激光僅需10分。單脈沖激光打孔的孔深小于1mm，對應(yīng)的孔徑為0.005~0.4mm；多脈沖激光打孔的孔深可達3mm，最大孔徑可達1mm。

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B、脈沖YAG激光打精密孔例如用脈沖YAG激光能在厚度為1mm的珍珠寶石上打出16個直徑為0.2mm的高精度系列孔，加工精度為±0.03mm，孔間隔為0.01mm，加工速率為每分鐘打一個孔。用脈沖YAG激光對0.005mm厚的鈦和鉬薄箔進行打孔，孔徑可達0.02mm；用脈沖YAG激光對0.07mm厚的氧化鋁陶瓷材料打孔，孔徑為0.15mm，打孔精度為±

0.2mm。C、脈沖CO2激光打孔像鋼鐵之類的金屬材料對YAG波長激光吸收率較高，故宜采用YAG激光打孔。但是，陶瓷、玻璃和塑料之類的非金屬材料對CO2激光具有較高的吸收率。因此對這類非金屬材料適合采用脈沖CO2激光打孔。此外普通香煙過濾嘴上的小孔、噴霧器閥門上的小孔，也在采用激光加工。噴霧器罐和瓶子頸部都有一個用來控制壓縮物質(zhì)（比如除臭劑、油料或者其他液體）的流量，閥門使用的性能就由噴霧器上這只小孔來決定了。這只小孔的直徑為10微米到40微米，用其他機械加工方法不那么好做，用激光來加工，能保證質(zhì)量，每小時還可以打4萬個小孔呢！

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2、激光切割1）、激光切割工作原理激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過激光閾值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點的溫度急劇上升，達到沸點后材料開始氣化，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對運動，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。

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2）、激光切割的特點G、噪聲低，無公害A、切割速度快，熱影響區(qū)小。熱影響層深度0.05--0.1mm，熱畸變形小。F、可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進行切割，不需真空裝置。E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各種材料，如高熔點材料、硬脆材料。C、無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，易于實現(xiàn)自動控制。B、切割質(zhì)量好。切口邊緣平滑，無塌邊，無切割殘渣。對輪廓復雜和小曲率半徑等外形均能達到微米級精度的切割。割縫窄。一般為0.1--1mm。

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3）激光切割分類※汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為108Ｗ/cm2左右，是無熔化材料的切割方式，適用木材、塑料等。

※熔化切割:激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107Ｗ/cm2左右，適合金屬材料。

※氧助熔化切割:金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。適用金屬材料。

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聚焦能力與它光束模式有關(guān)。基模(TEM00)，光斑內(nèi)能量呈高斯分布，幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸。而高階或多模光束的能量分布較擴張，經(jīng)聚焦的光斑較大而能續(xù)密度較低，用它來切割材料猶如一把鈍刀。4)、影響激光切割質(zhì)量的因素激光切割質(zhì)量包括：影響激光切割質(zhì)量的因素：割縫入口處輪廓清晰，割縫窄、割縫邊的熱影響層小，無切割粘渣，切割表面光潔等。激光功率、激光振蕩模式、焦點位置、輔助氣體和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。確定切割速度和切割厚度的主要參數(shù)是激光的功率和材料的性能。B、光束模式

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焦點位置對熔深和熔池形狀的影響很大。這種影響對切割雖不像對焊接那樣大，但無疑影響切割質(zhì)量。圖所示為采用激光切割5mm厚高合金鋼板時的焦點價置與切割縫寬度的關(guān)系曲線。由圖可知；在焦距位置距工件表面1mm處所得到的割縫最窄。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于簿件高速切割，此時應(yīng)使焦距的位置維持恒定不變：長焦透鏡的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用來切割厚材料：板材越厚，焦點位置的正常范圍越窄。C、焦點位置

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※與金屬產(chǎn)生放熱化學反應(yīng)，增加能量強度。※從切割區(qū)吹掉熔渣，清潔切縫；※冷卻切縫鄰近區(qū)域，減小熱影響尺寸；※保護聚焦透鏡，防止燃燒產(chǎn)物沾污光學鏡片。D、輔助氣體和噴嘴輔助氣體的作用是：噴嘴的設(shè)計原則※噴嘴孔尺寸必須容許光束順利通過，避免孔內(nèi)光束與噴嘴接觸?！鶉娮靽姵龅妮o助氣流必須能使去除切縫內(nèi)熔融物和加強切割作用有效耦合。氣流量與噴嘴尺寸關(guān)系

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E、切割速度:在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表面粗糙度也有較大影響。激光切割對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大，速度要高，以便有充足的氧氣使切口材料充分進行放熱反應(yīng)，并有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。而這些都與氣流作用在工件表面的滯止壓力有關(guān)，可稱之為切割壓力。為了得到高的切割速度和切口質(zhì)量，切割壓力應(yīng)該大。當Pn/Pa=3，噴出超音速氣流

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5)、金屬材料激光切割A(yù)、激光器：快軸流CO2激光器B、切割參數(shù)：

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C、影響激光切割質(zhì)量的因素：激光切縫表面的切縫寬度和熱影響區(qū)均隨激光切速的增加而減小，并在切縫下表面切縫的寬度和熱影響區(qū)最小。

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切縫寬度和熱影響區(qū)與激光切速關(guān)系。

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焦點位置對切口粗糙度的影響

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噴嘴的形狀和大小及吹氧壓力對激光切割質(zhì)量有較大影響

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吹氣壓力與切割速度關(guān)系

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幾種切割方式的比較

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6）、非金屬激光切割A(yù)、激光器：CWCO2激光器，不超過500w的中等激光功率。B、所需的激光功率：Q材料蒸發(fā)所需的能量（KJ/cm3）W切縫寬（cm）L板厚（cm）V切割速度（cm/s）

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對于非金屬材料，Q值可以小于0.4kJ·cm-3，而對于玻璃類材料，Q值高于100kJ·cm-3。

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到目前為止，激光可用來切割木材、紙張、布匹、塑料、橡膠、復合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。例如用激光切割木材可大大減少噪聲。用激光切割紙張，切速高達15m/s。激光用于切割航空行業(yè)中的復合材料也越來越普遍。激光裁剪布料，不僅可省料15％，且裁紋質(zhì)量好，裁剪后的布料無毛邊?；w衣料的激光裁剪不需要收邊，可以省去拷邊工序。用計算機控制的激光切割機，可將所有衣服的祥式與尺寸存儲到磁盤上，按一下控制健就可以得到所需的布料。例如休斯公司開發(fā)的激光裁剪機，裁剪速度達61m/min，每小時激光可裁剪40~50套服裝。目前美、英服裝公司均采用激光裁剪機裁剪布料。非金屬材料的激光切割應(yīng)用前景

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過量光照引起病理效應(yīng)一覽表3、激光加工安全問題

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1）激光對眼睛的危害對紅外和遠紅外眼是不透明的，這種輻射所造成的損傷部位又回到了角膜關(guān)于光譜的這一部分損傷數(shù)據(jù)來于二氧化碳激光器，其損傷在本質(zhì)上是熱過程。對于強光輻射，人體最易受傷的是眼。至于眼何處受傷則決定于光波波長。紫外線：能為角膜等物質(zhì)中的各種核酸和蛋白質(zhì)所吸收，受到這種射線的照射，將引起角膜炎。引起最厲害角膜炎的光波波長是0.208微米（角膜的敏感峰）?？梢姽夂徒t外：最易受傷的部位是視網(wǎng)膜。原因是角膜、晶狀體等既對它們是透明的，又對它們有焦聚作用。這種光絕大部分能達到眼底，并為色素上皮層和脈絡(luò)膜所吸收。紅外線和遠紅外線：損傷部位是角膜。

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2）激光對皮膚的危害激光輻射對眼的損傷，特別是對視網(wǎng)膜的損傷，也有可能是不可逆的，一般皮膚受傷比眼睛易于恢復。顯然，皮膚損傷居于次要地位。然而，在激光加工中使用脈沖激光能量密度接近幾焦爾每平方厘米時，或者連續(xù)激光功率達到每平方厘米0.5瓦時，皮膚就可能遭受嚴重損傷。皮膚可分為兩層，最外面的是表皮，內(nèi)面的是真皮。表皮沒有血管，但含有一些神經(jīng)。位于表皮下層的黑色素確定了皮膚的顏色。黑色素粒越多，皮膚的顏色就越黑．表皮中含有汗膿、血管、淋巴管、神經(jīng)、發(fā)脂腺和脂肪細胞等。皮膚含有水，至少在遇到黑色素粒之前，對大多數(shù)類型的激光是透明的．黑色素粒是皮膚中主要的吸光體．黑色素粒對可見光、近紫外線和紅外線的光譜反射比有明顯的差異，人體皮膚顏色對反射比也有很大的影響．極白膚色的人反射比較高，吸收輻射能量較少，反之，黑色皮膚吸收能量較多，更易受傷。

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3）有害氣體危害由激光切割、激光打孔及激光焊接產(chǎn)生的反應(yīng)物及汽化的加工材料，可能使大氣污染，其濃度可能高到危及人員的健康。其中可能包括產(chǎn)生的氧化鐵、氧化銅和氧化鋅等金屬氧化物煙霧，鉛、汞、鎳和鉭等金屬煙霧和塵埃；激光器泄漏的激光工作物質(zhì)如溴氣、氯氣、氰化氫、碘、硒化合物、一氧化碳和二氧化碳等，閃光燈產(chǎn)生的臭氧。4）電氣危害使用激光設(shè)備時所發(fā)生的電擊死亡事故，很可能比激光束照射所造成的死亡事故更多。根據(jù)報道，在美國已經(jīng)發(fā)生數(shù)起因為進行與激光有關(guān)的工作而觸電死亡的事故。大多數(shù)激光設(shè)備使用高電壓(＞1kv)，具有電擊危險。脈沖激光設(shè)備的電容器貯有能量時特別危險，我們了解到，國內(nèi)、外都曾經(jīng)發(fā)生過高壓電容器造成電擊危害。當電容器放電通過人體并超過50J時，就有可能損傷心臟。

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激光打標技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景概述：激光打標是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和光學器件的改進，促進了激光打標技術(shù)的發(fā)展。激光打標的優(yōu)點：

(1)標記速度快，字跡清晰、永久。

(2)非接觸式加工，污染小，無磨損。

(3)操作方便，防偽功能強。

(4)可以做到高速自動化運行，生產(chǎn)成本低。激光打標原理：是利用高能量密度的激光束對目標作用,使目標表面發(fā)生物理或化學的變化,從而獲得可見圖案的標記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個指定的圖案。

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國內(nèi)激光打標的發(fā)展歷程激光打標設(shè)備的核心是激光打標控制系統(tǒng)。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統(tǒng)在激光打標領(lǐng)域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對光學過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)激光打標的市場現(xiàn)狀生產(chǎn)銷售的企業(yè)有30多家，主要分布在武漢、北京、深圳、南京和廣州等地激光標刻系統(tǒng)的銷售額：YAG激光器

2001年為1.9億元，占當年激光加工銷售總額的32.7%

2002年為2.48億元，占當年激光加工銷售總額的33.5%

2003年為3.33億元，占當年激光加工銷售總額的34.0%。

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目前：激光打標使用的Nd：YAG激光器多是以氪燈或氙燈來泵浦的，泵浦效率很低，激光器的總效率只能達到2％～5％，這種激光打標機都配有龐大的冷卻系統(tǒng)，其體積可占整個系統(tǒng)體積的40％。將來：半導體激光泵浦的固體激光器，總體轉(zhuǎn)換效率可達20％以上，大大縮小激光器冷卻系統(tǒng)的體積，這為激光打標機向輕型化、小型化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件；

大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高（是半導體激光泵浦的固體激光器的2倍以上）、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、免維護和價格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢，更加促進了激光打標向輕型化、小型化方向發(fā)展。國際上一些發(fā)達國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的工藝標準，我國也非常重視這一技術(shù)，國家科委已將該技術(shù)列為“八五火炬計劃”進行研制和推廣。激光打標具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。激光打標的發(fā)展趨勢

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焊接技術(shù)發(fā)明至今已有百余年歷史，現(xiàn)在全世界所有大工業(yè)的產(chǎn)業(yè)，像航天航空、造船、通訊、家用電器、大型電站、冶金、微電子、武器裝備及核能工業(yè)中產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都離不開焊接技術(shù)，焊接是其最主要的工藝。焊接熱源：已非常豐富，如火焰、電弧、電阻、超聲、摩擦、等離子、電子束、激光束、微波等等。焊接的基本原理：就是采用施加外部能量的辦法，促使分離材料的原子接近，形成原子鍵的結(jié)合。在這個同時，又能去除掉一切阻礙原子鍵結(jié)合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。焊接是一個安全要求非常高的一種先進工藝。如果焊接質(zhì)量要出現(xiàn)問題，所造成的危害是毀滅性的。----四川重慶的綦虹橋，突然斷裂，是焊接質(zhì)量問題----韓國的漢江大橋突然斷裂，也是焊接質(zhì)量問題?，F(xiàn)代焊接技術(shù)簡介

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發(fā)達國家，它每年鋼產(chǎn)量的50％到60％需要進行焊接加工。中國2001年，鋼產(chǎn)量達到1.3億噸，在這個1.3億噸生產(chǎn)出來的鋼材中，據(jù)初步統(tǒng)計，四千萬噸需要焊接，因此焊接已經(jīng)成為一門獨立的學科，一項高科技，同時又是一個非常重要的產(chǎn)業(yè)。激光焊是最近這些年發(fā)展起來的一種高能量的焊接方法，它是用激光來加熱，所以它可以穿透透明介質(zhì)，能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去，這是其他焊接方法難以做到的，這種方法也被利用到醫(yī)學里邊，比方視網(wǎng)膜脫落，視網(wǎng)膜是在眼球的后面，視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會失明，現(xiàn)在就用激光的辦法，透過眼球焊到眼球后面，把這個視網(wǎng)膜和眼球焊起來，這個已經(jīng)是很成功的手術(shù)了。第二個它的優(yōu)點是不需要真空保護，因此，現(xiàn)在得到了非常廣泛的應(yīng)用。

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3、激光焊接技術(shù)概述激光焊接是以高功率聚焦激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。激光焊接的應(yīng)用始于1964年，但早期僅限于用小功率脈沖固體激光器進行薄小零件的焊接。70年代以來，隨著千瓦級大功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光深熔焊得到了迅速的發(fā)展。激光焊接的厚度已從零點幾毫米提高到50mm，已應(yīng)用于汽車、鋼鐵、航空、原子能、電氣電子等重要工l部門。目前在世界各國激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域中，激光焊接的應(yīng)用僅次于激光切割，約占20.9％。

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⑤激光焊接可在大氣中進行，無環(huán)境污染。2）激光焊接與常規(guī)焊接方法相比具有如下特點：①激光功率密度高，可以對高熔點、難熔金屑或兩種不同金屑材料進行焊接(對鎢絲進行有效焊接)。②聚焦光斑小，加熱速度快，作用時間短，熱影響區(qū)小，熱變形可忽略。③脈沖激光焊接屬于非接觸焊接，無機械應(yīng)力和機械形變。④激光焊接裝置容易與計算機聯(lián)機，能精確定位，實現(xiàn)自動焊接，而且激光可通過玻璃在真空中焊接。1）激光焊接基本模式：熱導焊和深熔焊。熱導焊：激光功率密度較低（105～106W／cm2），依靠熱傳導向工件內(nèi)部傳遞熱量形成熔池。這種焊接模式熔深淺，深寬比較小。深熔焊：激光功率密度高（106～107W／cm2），工件迅速熔化乃至氣化形成小孔。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。

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4、脈沖激光焊接（熱傳導焊接）1）常用脈沖激光器：Nd：YAG激光器調(diào)QYAG激光器脈沖CO2激光器2）焊接接頭形式：對接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊3）影響焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)：功率密度、脈沖寬度、脈沖波型和離焦量

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一、激光功率密度對焊接質(zhì)量影響激光功率密度是激光焊接的一個關(guān)鍵參數(shù)，激光功率密度不同時材料達到熔點和沸點的時間不同。兩種功率密度下金屬表層及底層的溫度與時間的關(guān)系。

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材料達到熔化所需的激光功率密度：材料達到沸點所需的激光功率密度：臨界激光功率密度：當材料表面出現(xiàn)強烈氣化時，材料加熱過程中將出現(xiàn)兩種波向材料內(nèi)部傳播，即熱波和氣化波。當激光功率密度較低時，熱波的速度高于氣化速度，當達到某—臨界功率密度時，這兩種波的速度相等，可得氣化時的臨界激光功率密度：對多數(shù)材料：

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金屬熱導率K熱擴散率kTmTv脈寬tp

W/cm2·℃cm2/s℃℃sCu3.891.121083230010-3鋼0.510.151535270010-3Ni0.670.241453273010-3Ti0.150.061800320010-3W1.690.653380590010-3Mo1.410.552600480010-3Cr0.700.221830220010-3Al2.090.87660206210-3金屬熱學參量

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說明：激光功率密度需根據(jù)材料本身的特性及焊接技術(shù)要求來選取。在薄板(板厚為0.01-0.10mm)焊接中，激光功率密度范圍為Fm＜F＜Fc在厚板(板厚大于〉0.50mm)焊接中，激光功率密度范圍為Fm＜F＜Fv金屬熱擴散率脈寬臨界功率密度

（J/cm3）(cm2/s)（ms）(W/cm2)Cu42.88×1031.1210-31.4×106鋼54.76×1030.1510-36.2×106Ni55.3×1030.2410-37.5×106Ti44.27×1030.0610-33.4×106W95.43×1030.6510-32.4×106Mo69.05×1030.5510-31.6×106Cr54.17×1030.2210-38.4×106Al28.09×1030.8710-38.6×106

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二、脈沖波形對焊接質(zhì)量影響分析：激光脈沖開始作用時反射率高；當材料表面溫度升至熔點時，反射率迅速下降；表面處于熔化狀態(tài)時，反射率穩(wěn)定于某一值；當表面溫度繼續(xù)上升到沸點時，反射率又一次下降。曲線1為銅的反射率變化曲線2為鋼的反射率變化激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要問題，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。

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利用帶有前置尖峰的激光波形，在開始出現(xiàn)的尖峰，迅速改變金屬表面狀況，使其溫度上升至熔點，從而在脈沖時刻到來時，表面反射率較低，使光脈沖的能量利用率大大提高。解決方法：適用范圍：大多數(shù)金屬的脈沖焊接注意：這種脈沖波型在高重復率縫焊時不宜采用。因為重復率很高時，重疊區(qū)可能仍處于熔融狀態(tài)。若使用這種波形，初期尖峰可使表面出現(xiàn)高速氣化，伴隨著劇烈的體積膨脹，金屬蒸氣以超聲速向外擴張，給工件很大的反沖力，使金屑產(chǎn)生飛濺，在熔斑中形成不規(guī)則的孔洞。這在氣密性要求高的縫焊中尤其要避免，故縫焊中宜采用矩形波或緩衰減波形。

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三、脈沖寬度對焊接質(zhì)量影響激光脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它是決定材料是否熔化的重要參數(shù)。為了保證激光焊接過程中材料表面不出現(xiàn)強烈氣化，一般假定在脈沖終止時材料表面溫度達到沸點。1）最大熔深與脈寬關(guān)系設(shè)脈沖終止時材料表面溫度達到沸點，即脈沖寬度tp等于氣化時間。此時的激光功率密度：最大熔深：由氣化時間

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最大熔深：對于鋁材料：熔點660℃，沸點2450℃，k=1.03cm2/s。采用脈寬tp=1ms的激光，熔深不到0.1mm。結(jié)論：①最大的熔深正比于脈寬的平方根，脈寬越長，熔深越深。②熔點、沸點相差較大的金屬，如鉬、鉑、鎢等，則熔深較深。③熱擴散率越大的金屬，如金、銅、銀等，熔深越深。

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四、離焦量對焊接質(zhì)量影響激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦量相等時，所對應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。實驗表明，激光加熱50~200us材料開始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)汽化，形成蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應(yīng)用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

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深熔焊：激光功率密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫（圖1）。這種焊接模式熔深大，深寬比也大。在機械制造領(lǐng)域，除了那些微薄零件之外，一般應(yīng)選用深熔焊。5.激光深熔焊接1）激光深熔焊接介紹

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1)熔深大、速度高，單位時間熔合面積大，是高效焊接方法。2)熱影響區(qū)小，焊件變形小，適合精密、熱敏感部件的焊接。3)一般不填充金屬，專用氣體保護，補焊部位不會氧化發(fā)藍。4)易于實現(xiàn)自動化。激光深熔焊接不足：1）焊件要求有高的裝配精度（因為光斑小、焊縫窄）。2）焊接系統(tǒng)的成本高，一次投資大。2）激光深熔焊接優(yōu)點：

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激光深熔焊接本質(zhì)特征為存在小孔效應(yīng)的焊接。在激光功率密度足夠高時，材料蒸發(fā)產(chǎn)生小孔充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射的激光能量，孔腔里的溫度較高（25000℃）熱量從孔壁傳出去，使孔周圍的金屬熔化。3）激光深熔焊接原理深熔焊形成的小孔

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小孔內(nèi)激光的吸收過程由上述機理可知，激光深熔焊接(小孔效應(yīng))與熱傳導焊接相比有本質(zhì)區(qū)別，前者激光功率密度大于106W/cm2，可以在材料中產(chǎn)生小孔效應(yīng)。在小孔內(nèi)激光束可以直接通過小孔壁進入孔底(見圖)，得到很大的激光焊接深度，目前最大焊接深度已超過5lmm。

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等離子體對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般來說熔池上方的等離子體會削弱到達工件的激光能量。并影響光束的聚焦效果、對焊接不利。通?？奢o助側(cè)吹氣驅(qū)除或削弱等離子體。4）等離子體的影響不同輔助氣體抑制等離子體的效果與氣體的電離勢、導熱性和離解能等有關(guān)。當輔助氣體流量低于臨界流量時，氣體電離勢起主導作用。在上述四種氣體中He的電離勢最高，相應(yīng)順序為He(24.5eV)、Ar(15.68eV〕、N2(14.6eV)和CO2(13.8eV)，故認為He抑制等離子體效果最好。但隨著輔助吹氣流量的進一步增加，由于氣體的流動使熱輻射對流作用增加，相對電離勢而言．氣體的導熱性和離解能起主要作用。從導熱性方面看，四種氣體排列順序為：Ar＜N2＜CO2＜He，即Ar具有最低導熱率，其等離子體維持閾值低，故容易被加熱而屏蔽；而He的熱導率最大，其等離子體維持閾值最高，故容易擴散。綜上分析，He是抑制等離子體較理想的氣體。用作輔助氣體的有Ar、He、N2和CO2等

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保護氣體激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，對大多數(shù)場合則常采用氦、氬、氮等氣體作保護。使工件在焊接過程巾免受氧化。氦氣不易電離(電高溫度較高)，可讓激光束順利通過，光束能量不受阻地直達工件表面，是激光焊接時使用最有效的保護氣體。氬氣較便宜，出于其密度較大，所以保護較好；但易受高溫金屬離子體電離。屏蔽了部分光束，減少了焊接時的有效功率，也損害焊接速度和熔深。使用氬保護時表面光滑。

氮氣作為保護氣體最便宜，但對某些類型不銹鋼焊接時并不適用。

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激光焊接機由激光開關(guān)電源、數(shù)控系統(tǒng)、光學傳統(tǒng)系統(tǒng)(含攝像系統(tǒng)及氣體保護系統(tǒng)）、閉合循環(huán)水冷系統(tǒng)、工作臺、計算機及操作系統(tǒng)組成。5）激光焊接機的系統(tǒng)組成激光器：

用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在15～6kW范圍。而YAG激光器在過去相當長一段時間內(nèi)提高功率有困難，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微聯(lián)接。但是，近幾年來，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進展，最大功率已達5kW，并已投人市場。由于其波長短，僅為CO2。激光的1/10，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，使導光系統(tǒng)大為簡化?？梢灶A(yù)料，大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展，成為

CO2激光焊接強有力的競爭對手。導光和聚焦系統(tǒng)

導光聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖、聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學部件，尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降；會產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)（透鏡受熱膨脹焦距縮短）；表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學部件的質(zhì)量，維護和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

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6）影響激光焊接質(zhì)量的因素

1焊接設(shè)備

對激光器的質(zhì)量要求最主要的是光束模式和輸出功率及其穩(wěn)定性。光束模式是光束質(zhì)量的主要指標，光束模式階數(shù)越低，光束聚焦性能越好，光斑越小，相同激光功率下功率密度越高，焊縫深寬越大。但從國外情況來看，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率穩(wěn)定性已相當高，不會成為激光焊接的問題。

光學系統(tǒng)中影響焊接質(zhì)量最大的因素是聚焦鏡，所用焦距一般在127mm（5in）到200mm（7.9in）之間，焦距小對減小聚焦光束腰斑直徑有好處，但過小容易在焊接過程中受污染和飛濺損傷。2.工件狀況

激光焊接要求對工件的邊緣進行加工，裝配有很高的精度，光斑與焊縫嚴格對中，而且工件原始裝配精度和光斑對中情況在焊接過程中不能因焊接熱變形而變化。這是因為激光光斑小，焊縫窄，一般不加填充金屬，如裝配不嚴間隙過大，光束能穿過間隙不能熔化母材，或者引起明顯的咬邊、凹陷，如光斑對縫的偏差稍大就有可能造成未熔合或未焊透。所以，一般板材對接裝配間隙和光斑對縫偏差均不應(yīng)大于0.1mm，錯邊不應(yīng)大于0.2mm。當焊縫較長時，焊前的準備難度很大，普通剪床F料一般不能滿足要求．必須經(jīng)過機械加工或用高精度剪床剪切，還必須根據(jù)具體工件情況設(shè)計合適的精密胎夾具。實際生產(chǎn)中，有時因不能滿足這些要求，而無法采用激光焊接技術(shù)。

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3.焊接參數(shù)

（1）激光功率密度：對激光焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定件的影響焊接參數(shù)中最主要的是激光光斑的功率密度，它對焊接模式和焊縫成形穩(wěn)定性影響如下：隨激光光斑功率密度由小變大依次為穩(wěn)定熱導焊、模式不穩(wěn)定焊和穩(wěn)定深熔焊。（2）光束焦點位置：是焊接參數(shù)中對焊接質(zhì)量影響極大而又最難監(jiān)測和控制的一個因素。目前在生產(chǎn)中需靠人工調(diào)節(jié)和反復工藝試驗的方法確定合適的焦點位置，以獲得理想的熔深。但在焊接過程中由于工件變形，熱透鏡效應(yīng)或者空間曲線的多維焊接，焦點位置會發(fā)生變化而可能超出允許的范圍。

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型號W-50W-100W-200W-400激光類型燈泵浦脈沖Nd:YAG激光焊接機

激光波長1064nm激光功率50W100W200W400W激光光束直徑5mm6mm7mm8mm最大激光能量25J50J100J180J脈沖寬度0.1-10ms（可根據(jù)用戶要求選定其它脈寬）

脈沖重復率1-200Hz（可根據(jù)用戶要求選定其它脈沖重復率）

激光頭尺寸900×180×180mm

1200×180×180mm

供電要求380VAC，5KVA

380VAC，6KVA

380VAC，8KVA

380VAC，15KVA

冷卻方式閉環(huán)水冷焊接頭光學傳輸聚焦,還焦距75mm

聚焦光斑直徑<0.2mm標準工作臺電控XY移動臺，行程150x150mm

控制器電腦編程可選附件激光制冷機，CCD監(jiān)視系統(tǒng)

7）幾種激光焊接機的技術(shù)參數(shù)

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6、激光焊接的應(yīng)用在工業(yè)發(fā)達國家，激光焊接已在許多工業(yè)部門得到應(yīng)用，而汽車是其中最重要的部門，最典型的例子是車身覆蓋件剪裁激光拼焊。用激光將不同厚度，不同材質(zhì)，不同性能的多塊小坯料拼焊起來，再沖壓成形。材料利用率由40％～60％提高到70％～80％，而且減輕了重量，提高了綜合性能。在這里只有采用激光焊接才能保證拼焊后表面平整，無翹曲和變形，確保沖壓后的質(zhì)量。世界著名的汽車公司都采用了這種方法。我國激光焊接技術(shù)經(jīng)過十余年的研究，已開始應(yīng)用，包括電機中的定子轉(zhuǎn)子、金剛石鋸片、多聯(lián)齒輪、熱軋硅鋼片、顯像管陰極、食品罐頭盒罐身等。例如用激光焊接技術(shù)焊接了裝核燃料棒的核供熱堆鋯元件盒，外形尺寸為166.5mm×166.5mm×2384mm，采用2mm厚高活性鋯合金板焊接而成，最后在鋯盒全長范圍內(nèi)，各面及相互間的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均達到在0.2～0.3mm范圍內(nèi)，正反面焊縫表面不平度小于0.15mm。充分體現(xiàn)了激光焊接的先進性。

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1985年德國大眾激光拼焊用于Audi車型底盤的焊接1986年日本豐田添絲激光焊用于車身側(cè)面框架的焊接1993年北美應(yīng)用激光拼焊技術(shù)日本汽車的競爭力目前為止采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。世界上幾乎所有的著名汽車制造商采用激光焊接技術(shù)。中國的奇瑞汽車目前

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汽車車身的激光焊接

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1、激光切割有哪些加工方式？各自特點是什么？2、噴嘴設(shè)計遵循的普遍原則是什么？3、激光對眼睛和皮膚有哪些傷害？對眼睛角膜有損害的是哪些波長的光？4、激光焊接有哪些優(yōu)缺點？5、影響焊接質(zhì)量的因素有哪些？如何改善？

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小小的剎車片何以撬開一等獎的大門2005年3月28日，莊嚴的人民大會堂，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席胡錦濤親自授予黃伯云教授國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎，結(jié)束了該獎項連續(xù)6年空缺的歷史。我國每年需進口數(shù)億元炭／炭剎車副。使用強度提高30％，耐磨性提高20％，壽命提高9％，價格降低21％，生產(chǎn)效率提高100％，高能制動性能超過25％。

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3.3激光表面改性技術(shù)激光表面改性技術(shù)是材料表面工程技術(shù)最新發(fā)展的領(lǐng)域之一。這項技術(shù)主要包括激光表面相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光熔凝、激光沖擊硬化、激光非晶化及微精化等多種工藝。其中，激光相變硬化和激光熔覆是目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用最多的兩種工藝。

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1.激光淬火技術(shù)，又稱激光相變硬化，它利用聚焦后的激光束照射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升到相變點以上。當激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導熱作用，使表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，獲得淬硬層。

一、激光淬火技術(shù)（激光相變硬化）說明：1、升溫速度可達103--106℃/s，降溫速度可達106℃/s。

2、淬火溫度在相變溫度以上，材料熔點以下；在相變點處以高于臨界冷卻速度冷卻。2.如圖為一臺柔性激光加工系統(tǒng)的示意圖。它通過五維運動的工作頭把激光照射到被加工的表面，在計算機控制下直接掃描被加工表面完成激光淬火

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3.激光淬火可以使工件表層0.1到1.0mm范圍內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。鋼表面激光淬火區(qū)橫截面金相組織圖

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4.淬火區(qū)顯微硬度沿深度方向的分布曲線（HV維氏硬度<1300）5.影響淬硬性能的主要因素：1)材料成分：一般說來，隨著鋼中含碳量的增加，淬火后馬氏體的含量也增加，激光淬硬層的顯微硬度也就越高?；暮剂颗c激光淬火層顯微硬度的關(guān)系1：20鋼2：45鋼3：T8鋼4：T10鋼5：T12鋼說明：45鋼表示平均含碳量0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

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2)激光工藝參數(shù)：激光淬火層的寬度主要決定于光斑直徑；淬硬層深度由激光功率、光斑直徑和掃描速度共同決定；描述激光淬火的另一個重要工藝參數(shù)為功率密度，即單位面積注入工件表面的激光功率。為了使材料表面不熔化，激光淬火的功率密度通常低于104W／cm2，一般為1000-6000W／cm2。淬硬層深度：

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3)表面預(yù)處理（黑化處理）：磷化法：20世紀80年代最常用的方法之一。通過磷化處理在工件表面形成一層磷化膜（磷酸錳居多），使材料表面吸收率達到80%以上。但磷化處理也常使材料表面出現(xiàn)裂紋。黑漆法：黑漆主要成分為石墨粉和碳酸鈉Sio2型涂料法：涂料主要成份為200-300目精制石英粉。表面層打磨1μm噴砂50μm氧化石墨高溫油漆