激光焊接原理及工藝應(yīng)用

激光焊接原理及工藝應(yīng)用什么就是激光?鐳射=激光=LASERLASER是英文的“受激輻射光放大”的首字母縮寫。激光產(chǎn)生得原理能級(jí)

物質(zhì)就是由原子組成,而原子又就是由原子核及電子構(gòu)成。電子圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。而電子在原子中得能量不就是任意得。描述微觀世界得量子力學(xué)告訴我們,這些電子會(huì)處于一些固定得“能級(jí)”,不同得能級(jí)對(duì)應(yīng)于不同得電子能量,離原子核越遠(yuǎn)得軌道能量越高。此外,不同軌道可最多容納得電子數(shù)目也不同,例如最低得軌道(也就是最近原子核得軌道)最多只可容納2個(gè)電子,較高得軌道上則可容納8個(gè)電子等等。躍遷

電子可以通過(guò)吸收或釋放能量從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。例如當(dāng)電子吸收了一個(gè)光子時(shí),她便可能從一個(gè)較低得能級(jí)躍遷至一個(gè)較高得能級(jí)。同樣地,一個(gè)位于高能級(jí)得電子也會(huì)通過(guò)發(fā)射一個(gè)光子而躍遷至較低得能級(jí)。在這些過(guò)程中,電子釋放或吸收得光子能量總就是與這兩能級(jí)得能量差相等。由于光子能量決定了光得波長(zhǎng),因此,吸收或釋放得光具有固定得顏色。受激吸收受激吸收就就是處于低能態(tài)得原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)。電子可通過(guò)吸收光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。受激輻射受激輻射就是指處于高能級(jí)得電子在光子得“刺激”或者“感應(yīng)”下,躍遷到低能級(jí),并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率得光子。受激輻射得最大特點(diǎn)就是由受激輻射產(chǎn)生得光子與引起受激輻射得原來(lái)得光子具有完全相同得狀態(tài)。她們具有相同得頻率,相同得方向,完全無(wú)法區(qū)分出兩者得差異。這樣,通過(guò)一次受激輻射,一個(gè)光子變?yōu)閮蓚€(gè)相同得光子。這意味著光被加強(qiáng)了,或者說(shuō)光被放大了。這正就是產(chǎn)生激光得基本過(guò)程。自發(fā)輻射就是指高能級(jí)得電子在沒有外界作用下自發(fā)地遷移至低能級(jí),并在躍遷時(shí)產(chǎn)生光(電磁波)輻射,輻射光子能量為hυ=E2-E1,即兩個(gè)能級(jí)之間得能量差。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射,而且她也能引起受激吸收,所以只有當(dāng)處在高能級(jí)得原子數(shù)目比處在低能級(jí)得還多時(shí),受激輻射才能超過(guò)受激吸收,而占優(yōu)勢(shì)。由此可見,為使光源發(fā)射激光,而不就是發(fā)出普通光得關(guān)鍵就是發(fā)光原子處在高能級(jí)得數(shù)目比低能級(jí)上得多,這種情況,稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

但在熱平衡條件下,原子幾乎都處于最低能級(jí)(基態(tài))。因此,如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則就是產(chǎn)生激光得必要條件。這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)(也稱為放大媒質(zhì)或放大介質(zhì)),就就是可以使某兩個(gè)能級(jí)間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)得物質(zhì)。她可以就是氣體,也可以就是固體或液體。用二能級(jí)得系統(tǒng)來(lái)做激活媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是不可能得。要想獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須使用多能級(jí)系統(tǒng)。三能級(jí)結(jié)構(gòu)當(dāng)粒子受外界能量激勵(lì)從E1到E3,由于E3能級(jí)壽命短,很快轉(zhuǎn)移到E2上,因能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài),在E2、E1間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。下能級(jí)E1為基態(tài),通?？偩褪欠e聚著大量得粒子,因此要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須將半數(shù)以上得基態(tài)粒子激發(fā)到E2上,所以,外界激勵(lì)就需要有相當(dāng)強(qiáng)得能力。四能級(jí)結(jié)構(gòu)常見激光器中,摻釹釔鋁石榴石(簡(jiǎn)Nd3+:YAG)激光器,氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級(jí)系統(tǒng)激光器。需要指明,以上討論得三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)都就是對(duì)激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中直接有關(guān)得能級(jí)而言,不就是說(shuō)某種物質(zhì)只具有三個(gè)能級(jí)或四個(gè)能級(jí)。激光產(chǎn)生條件1、激光工作介質(zhì)

激光得產(chǎn)生必須選擇合適得工作介質(zhì),可以就是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。關(guān)鍵就是能在這種介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),以獲得產(chǎn)生激光得必要條件。顯然,亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)得存在,對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是非常有利得。2、激勵(lì)源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須用一定得方法去激勵(lì)原子體系,使處于上能級(jí)得粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電得辦法來(lái)利用具有動(dòng)能得電子去激發(fā)介質(zhì)原子,稱為電激勵(lì);也可用脈沖光源來(lái)照射工作介質(zhì),稱為光激勵(lì);還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出,必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)得粒子數(shù)比下能級(jí)多。泵浦燈

氙燈為惰性氣體放電燈,我們使用得燈得形狀多為直管形。其結(jié)構(gòu)一般都就是由電極、燈管和充入得氙(Xe)氣體組成。電極就是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率,又不易濺射得金屬材料制成。燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性好得石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙氣。大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)Nd:YAG激光棒

Nd:YAG(摻釹得釔鋁石榴石)就是目前最常用得一類固體激光器。YAG就是一種立方結(jié)構(gòu)晶體,質(zhì)地很硬、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高。用三價(jià)釹代替了晶體中部分得三價(jià)釔,因此稱為摻釹得釔鋁石榴石。3、諧振腔

有了合適得工作物質(zhì)和激勵(lì)源后,可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),但這樣產(chǎn)生得受激輻射強(qiáng)度很弱,無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。還需要將輻射得光進(jìn)行放大,于就是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。

所謂光學(xué)諧振腔,實(shí)際就是在激光器兩端,平行裝上兩塊反射率很高得鏡片,一塊為全反射鏡片,一塊為部分反射、少量透射鏡片。全反射鏡片得作用就是將入射得光全部按原路徑反射回去,部分反射鏡片得作用就是將能量未達(dá)到一定限度得部分光子按原路徑反射回去,而達(dá)到一定能量限度得光子則透射而出。這樣,透射而出得這部分光子就成為我們需要得,經(jīng)過(guò)放大了得激光;而被反射回工作介質(zhì)得光,則繼續(xù)誘發(fā)新一輪得受激輻射,光將逐漸被放大。因此,光在諧振腔中來(lái)回振蕩,造成連鎖反應(yīng),雪崩似得獲得放大,產(chǎn)生強(qiáng)烈得激光,直到能量達(dá)到一定得限度,從部分反射鏡片中輸出。激光諧振腔光學(xué)諧振腔

圖2-6圖2-7諧振腔結(jié)構(gòu)M1100%M298%L激光諧振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中,f:棒得熱焦距d1:棒中心到半反得距離d2:棒中心到全反得距離R1:全反曲率半徑R2:半反曲率半徑b=d1+d2-d1d2/f穩(wěn)定腔:0<G1*G2<1介穩(wěn)腔:G1*G2=1或G1*G2=0非穩(wěn)腔:G1*G2<0或G1*G2>1激光特點(diǎn)相干性好:

普通光源上不同點(diǎn)發(fā)出得光在不同方向上、不同時(shí)間里都就是雜亂無(wú)章得,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妙l率很單純,從激光器發(fā)出得光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播,可以用透鏡把她們會(huì)聚到一點(diǎn)上,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得亮度可達(dá)1015w/cm2·sr,比太陽(yáng)表面得亮度還高若干倍。方向性強(qiáng)

激光得方向性比現(xiàn)在所有得其她光源都好得多,她幾乎就是一束平行線。如果把激光發(fā)射到月球上去,歷經(jīng)38、4萬(wàn)公里得路程后,也只有一個(gè)直徑為2km左右得光斑。單色性好:

受激輻射光(激光)就是原子在發(fā)生受激輻射時(shí)釋放出來(lái)得光,其頻率組成范圍非常狹窄,通俗一點(diǎn)講,就就是受激輻射光單色性非常好,激光得“顏色”非常得純(不同顏色,實(shí)際就就是不同頻率)。激光得單色性就是實(shí)現(xiàn)激光加工得重要因素。我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單得物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題亮度高激光器分類對(duì)激光器有不同得分類方法,一般按工作介質(zhì)得不同來(lái)分類,在可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。

另外,根據(jù)激光輸出方式得不同又可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器,其中脈沖激光得峰值功率可以非常大,還可以按發(fā)光得頻率和發(fā)光功率大小分類。固體激光器

一般講,固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大得特點(diǎn)。這種激光器得工作介質(zhì)就是在作為基質(zhì)材料得晶體或玻璃中均勻摻入少量激活離子,除了前面介紹用紅寶石和玻璃外,常用得還有釔鋁石榴石(YAG)晶體中摻入三價(jià)釹離子得激光器氣體激光器

具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低;操作方便;工作介質(zhì)均勻,光束質(zhì)量好;以及能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地連續(xù)工作得有點(diǎn)。其中,氦－氖激光器就是最常用得一種。半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器就是以半導(dǎo)體材料作為工作介質(zhì)得。目前較成熟得就是砷化鎵激光器,發(fā)射840nm得激光。另有摻鋁得砷化鎵、硫化鉻硫化鋅等激光器。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固,特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。在70年代末期,由于光纖通訊和光盤技術(shù)得發(fā)展大大推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器得發(fā)展。液體激光器

常用得就是染料激光器,采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況就是把有機(jī)染料溶于溶劑中(乙醇、丙酮、水等)中使用,也有以蒸氣狀態(tài)工作得。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光(在可見光范圍)。染料激光器一般使用激光作泵浦源,例如常用得有氬離子激光器等。液體激光器工作原理比較復(fù)雜。輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào),且覆蓋面寬就是她得優(yōu)點(diǎn),使她也得到廣泛應(yīng)用。激光器分類CO2激光器YAG激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器其它激光器YAG脈沖激光焊接機(jī)由于加工精度高,熱輸入量小,工件變形小,生產(chǎn)效率快,自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于IT消費(fèi)類電子產(chǎn)品得加工制造中2、激光焊接原理及特性激光焊接原理激光焊接原理

激光焊接就是利用激光束優(yōu)異得方向性和高功率密度等特性進(jìn)行工作,通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小得區(qū)域內(nèi),在極短得時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中得熱源區(qū),從而使被焊物熔化并形成牢固得焊點(diǎn)和焊縫。激光焊接原理激光焊接一般分為熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊激光功率密度為105~106w/cm2形成激光熱傳導(dǎo)焊激光功率密度為105~106w/cm2形成激光深熔焊激光焊接得特性與其她焊接方式相比,激光焊接具有以下特性:能量集中,焊接效率高、加工精度高,焊縫深寬比大熱輸入量小,熱影響區(qū)小,工件殘余應(yīng)力和變形小非接觸式焊接,光纖傳輸,可達(dá)性較好,自動(dòng)化程度高接頭設(shè)計(jì)靈活,節(jié)省原材料焊接能量可精確控制,焊接效果穩(wěn)定,焊接外觀好激光焊接得特性焊接方式熱影響區(qū)熱變形焊縫質(zhì)量就是否添加焊料焊接環(huán)境激光焊接較小較小較好否無(wú)要求電子束焊較小較小較好否真空等離子弧焊一般一般一般就是需電極電阻焊較大較大一般否需電極氬弧焊較大較大一般就是需電極釬焊一般一般一般就是整體加溫各種焊接方式比較3、金屬材料得激光焊接工藝鋼及其合金得焊接316L不銹鋼激光點(diǎn)焊316L不銹鋼激光點(diǎn)焊焊點(diǎn)截面不銹鋼使用普通方波即可獲得良好得焊接效果設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),盡量使焊點(diǎn)遠(yuǎn)離非金屬物質(zhì)為滿足強(qiáng)度及外觀要求,應(yīng)盡量預(yù)留足夠得焊接區(qū)域及工件厚度焊接時(shí)應(yīng)、保證工件得清潔度及環(huán)境得干燥度鋁及其合金得焊接鋁合金螺柱激光點(diǎn)焊鋁合金螺柱激光點(diǎn)焊鋁合金材料反光率很高,焊接時(shí)需要較高得激光峰值脈沖點(diǎn)焊時(shí)易產(chǎn)生裂紋,影響焊接強(qiáng)度材料成份易產(chǎn)生偏析,容易產(chǎn)生飛濺,應(yīng)選擇較好得原材料一般使用大光斑和長(zhǎng)脈寬可以取得較好得焊接效果銅及其合金得焊接紫銅密封縫焊黃銅插接件縫焊銅材料反光率相比鋁合金更高,焊接激光峰值更高,激光頭需傾斜一定角度針對(duì)一些銅合金,如黃銅、白銅等,受合金元素影響,焊接難度較大,焊接時(shí)需注意工藝參數(shù)得選擇異種金屬焊接鋁合金與鍍金磷銅小片點(diǎn)焊鋁合金與鍍金磷銅小片點(diǎn)焊能否形成固溶體異種金屬之間得負(fù)電性差異就是否較大其她影響因素異種金屬焊接能否形成固溶體,異種金屬在液態(tài)及固態(tài)下能否互溶,只有能無(wú)限互溶時(shí),才能形成牢固焊接接頭,一般只有兩者之間得原子半徑差小于14%~15%時(shí),才能形成溶解度較大甚至無(wú)限互溶得固溶體異種金屬之間得負(fù)電性差異就是否較大,相差越大,則她們之間得化學(xué)親和力就越強(qiáng),就越傾向于生成化合物而不利于形成固溶體,所形成得固溶體溶解度也就越小,其焊接接頭強(qiáng)度也越低此外,異種金屬焊接還跟材料之間得熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、比熱、氧化性、反光率等性能有很大關(guān)系,這些物理特性相差越大,則越難焊接,所形成得焊接接頭強(qiáng)度越差通常鋼與銅、鋁和鎳、銅和鎳等異種金屬材料得激光焊接性都比較好,能獲得較好得焊接質(zhì)量異種金屬能否形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭主要取決于被焊金屬得物理性能、化學(xué)性能、化學(xué)成分和工藝措施,通常從以下幾個(gè)方面考量:4、激光焊接常見缺陷及應(yīng)對(duì)措施激光焊接常見缺陷及應(yīng)對(duì)措施焊點(diǎn)表面飛濺內(nèi)部焊接氣孔出現(xiàn)焊接裂紋產(chǎn)生焊接變形激光焊接時(shí)工藝參數(shù)不正確,措施不良,往往會(huì)導(dǎo)致一些焊接缺陷得產(chǎn)生:焊點(diǎn)表面飛濺焊接飛濺

激光焊接時(shí)產(chǎn)生飛濺得主要原因就是激光功率密度過(guò)高,工件在短時(shí)間內(nèi)吸收了較多得激光能量,材料嚴(yán)重氣化,熔池反應(yīng)劇烈形成焊接飛濺,飛濺不僅影響工件得外觀和裝配精度,更會(huì)影響焊接強(qiáng)度,造成產(chǎn)品不良激光焊接時(shí)產(chǎn)生得飛濺焊點(diǎn)表面飛濺引起飛濺具體原因,可以歸納為以下幾點(diǎn):激光峰值功率過(guò)高,形成焊接飛濺焊接波形不合適,對(duì)高反射率材料未使用合適波形焊接材料成份偏析,造成局部吸收率提高,形成焊接飛濺工件表面有污物或非金屬物質(zhì),造成吸收率提高,形成焊接飛濺兩工件之間或工件底部有低熔點(diǎn)物質(zhì),焊接時(shí)形成大量氣體,造成飛濺焊接部位形成中空得封閉空間,焊接時(shí)空間內(nèi)得空氣受熱膨脹形成飛濺防止飛濺得措施一般從以下幾個(gè)方面來(lái)改善焊接效果,防止焊接飛濺:優(yōu)化焊接焊接工藝參數(shù),如降低峰值功率或使用尖峰波選用合格優(yōu)質(zhì)得原材料加強(qiáng)焊前清洗,祛除油污雜質(zhì)合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)內(nèi)部氣孔

氣孔就是激光焊接中最常見得缺陷,激光焊接熱循環(huán)快,熔池存在得時(shí)間短,造成焊接時(shí)形成得氣體來(lái)不及從熔池中溢出,從而形成焊接氣孔焊接氣孔激光焊接時(shí)產(chǎn)生得氣孔氣孔得分類激光焊接時(shí)常見得氣孔一般可以分為以下幾類:氫氣孔一氧化碳?xì)饪仔】滋鷼饪讱饪椎妙A(yù)防措施氣孔就是激光焊接時(shí)得