培訓(xùn)知識(shí)：-激光原理(2004)2

激光加工目錄激光原理激光打孔激光焊接激光打標(biāo)

激光原理與激光加工什么是激光？受激輻射光頻放大

LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

激光的產(chǎn)生電子在最靠近原子核的軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)才是穩(wěn)定的，此時(shí)原子處在基態(tài)原子有原子核和繞特定軌道運(yùn)行的電子組成激發(fā)態(tài)原子吸收能量，電子會(huì)在擴(kuò)大半徑的軌道運(yùn)行，此時(shí)原子處于激發(fā)態(tài)或高能態(tài)自發(fā)輻射高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它總是力圖回到低能態(tài)。原子從高能態(tài)回到低能態(tài)的過(guò)程叫“躍遷”當(dāng)發(fā)生“躍遷”時(shí)，會(huì)以光子的形式輻射出光能。該過(guò)程為“自發(fā)輻射”E=En–E1所發(fā)光的頻率V=En–E1/hh—普朗克常數(shù)h=6.624x10-34J.受激輻射處于高能態(tài)E2的原子受到能量為Σ（Σ=h·v=E2–E1）的光子誘發(fā)。原子會(huì)從E2躍遷到E1，并發(fā)射出一個(gè)與入射光子完全相同的光子，即頻率，相位，傳播方向，偏振方向都與入射光相同。這個(gè)過(guò)程為受激輻射。

激光的產(chǎn)生一般情況下，處于低能級(jí)的粒子數(shù)大于高能級(jí)的粒子數(shù)。原子停留在高能級(jí)的平均時(shí)間為原子在該能級(jí)的平均壽命，基態(tài)時(shí)平均壽命較長(zhǎng)，激發(fā)態(tài)時(shí)的平均壽命較短。特殊的原子（或離子）在某些高能級(jí)有較長(zhǎng)的平均壽命，該能級(jí)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定的條件下，可使處于高能態(tài)的原子數(shù)目大于處于低能級(jí)的原子數(shù)目，形成“粒子數(shù)”反轉(zhuǎn)。若受到一束外來(lái)光子E=E2–E1照射誘發(fā)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的受激輻射，輸出大量的頻率，相位，傳播方向，偏振方向都與外來(lái)光子完全一致的光，這就是激光。激光的產(chǎn)生三能級(jí)系統(tǒng)激光器的能級(jí)圖四能級(jí)系統(tǒng)激光器的能級(jí)圖

激光三要素激光工作物質(zhì)泵浦源諧振腔燈泵浦固體激光器結(jié)構(gòu)圖燈泵浦固體激光器結(jié)構(gòu)圖2激光腔簡(jiǎn)圖燈泵固體激光系統(tǒng)能量分布燈泵浦Nd:YAG激光器

燈泵浦Nd:YAG激光器：采用氪燈（CW）或者氙燈（Pulse）作為泵浦源，電光轉(zhuǎn)換效率在3％左右，燈泵浦Nd:YAG激光器腔體構(gòu)造半導(dǎo)體泵浦固體激光器兩種泵浦方式的激光器Q-SWYVO4crystalPumpingLDFiberforpumpinglightPumpingLDYAGrodQ-SW端泵浦側(cè)面泵浦半導(dǎo)體泵浦激光器的諧振腔光纖激光頭的結(jié)構(gòu)IPG的光纖激光器光纖激光器的原理激光的四大特性高亮度高單色性高方向性高相干性激光加工的特點(diǎn)無(wú)接觸無(wú)切削力無(wú)“刀具”磨損局部高溫加工的材料廣泛實(shí)現(xiàn)的功能多傳輸方便高精度易控制易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光加工激光熱加工：包括激光焊接、激光切割、表

面改性（激光熱處理）、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；激光光化學(xué)反應(yīng)加工：激光直接曝光激光加工的分類(lèi)激光熱加工激光束加于物體所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過(guò)程如切割、打孔、割線(xiàn)、標(biāo)記、焊接、表面改性、合金化、雕刻、快速成型激光冷加工激光束加于物體，借助高密度高能光子引發(fā)控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過(guò)程如切割、打孔、刻線(xiàn)、標(biāo)記、光化學(xué)沉積、雕刻、快速成型激光器的技術(shù)參數(shù)激光波長(zhǎng)：1064nm平均功率：20W脈沖能量：1mJ脈沖功率：15KW輸出方式：連續(xù)或脈沖激光器的技術(shù)參數(shù)

脈沖頻率:20KHZ-100KHZ脈沖寬度:100ns波形:焊接時(shí)影響大光束質(zhì)量因子:1.5激光加工機(jī)的組成一、激光器——提供特定加工性能的激光束二、導(dǎo)光系統(tǒng)——將激光束引導(dǎo)到被加工工件三、加工機(jī)床——使激光束與被加工工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。要求合適的運(yùn)動(dòng)軌道，速度，精度等。并且激光光軸垂直于被加工表面。激光加工的主要技術(shù)參數(shù)激光平均功率：激光器額定工作功率。激光脈沖能量：脈沖激光器的單次脈沖所產(chǎn)生的能量激光脈沖寬度（脈寬）：?jiǎn)未渭す饷}沖所延續(xù)的時(shí)間。峰值功率：?jiǎn)未蚊}沖激光在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的激光能量。激光脈沖頻率聚焦鏡焦距離焦量光斑重疊度激光加工機(jī)的分類(lèi)輸出方式連續(xù)激光加工機(jī)脈沖激光加工機(jī)激光器固體激光加工機(jī)氣體激光加工機(jī)激光傳輸方式硬光路激光加工機(jī)軟光路激光加工機(jī)加工功能激光焊接機(jī)激光切割機(jī)激光打孔機(jī)激光打標(biāo)機(jī)CO2激光氦氖激光光纖激光機(jī)半導(dǎo)體泵浦YAG激光機(jī)燈泵YAG激光機(jī)光纖傳導(dǎo)加工光學(xué)系統(tǒng)四分支光纖傳導(dǎo)加工光學(xué)系統(tǒng)光纖聚焦頭激光與材料的相互作用激光特性激光的四大特性:高單色性,高相干性.高方向性和高光強(qiáng)度.他們主要是時(shí)域(頻率)和空域(模式)兩方面特性激光加工主要關(guān)注時(shí)域方面的波長(zhǎng)和空域方面的模式.波長(zhǎng):光子能量E和光子頻率的關(guān)系:E=h·γh:普朗克常數(shù)h=6.625×10-34J·SC=γ·λ室溫金屬的吸收率模式簡(jiǎn)單的說(shuō):激光的模式就是激光的能量在空間的分布方式.用TEMmnq表示TEM表示“橫向電磁波”.前兩個(gè)下標(biāo)表示特定的橫模,q表示縱模.m,n表明了垂直于光軸的平面內(nèi)場(chǎng)的變化.激光器的光譜特性:如譜線(xiàn)寬度和相干長(zhǎng)度等,主要取決于縱模.光束發(fā)散角、光束直徑和能量分布等取決于橫模.激光模式激光模式的意義激光模式直接影響聚焦性能基模TEM00在衍射極限下:dmin=2.44fλ/V多模TEMmn激光dmin=2.44(fλ/V)(2p+L+1)激光與材料相互作用的物理過(guò)程E0=E反射+E吸收+E通過(guò)1=R+a+TR:反射率a:吸收率T:通過(guò)率布格定律:入射到材料內(nèi)部深度為x的激光強(qiáng)度I=I0e-αX布格定律的意義1隨激光入射到材料內(nèi)部深度的增加，激光強(qiáng)度將以幾何級(jí)數(shù)減弱。2激光通過(guò)厚度為1/α的物質(zhì)后，其光強(qiáng)將減少為1/e。說(shuō)明材料吸收激光的能力應(yīng)歸結(jié)為其吸收系數(shù)α的數(shù)值。α單位1/cm吸收率a1吸收率a取決于材料本身2同種材料對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收率不同3同種材料在不同溫度時(shí)吸收率不同材料的加熱E=E反射+E吸收+E通過(guò)材料的加熱是光能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程材料的吸收激光能量Ein同時(shí)會(huì)有能量散失Eout當(dāng)△E=Ein–Eout=0時(shí)，激光作用區(qū)的溫度才能保持不變。材料的加熱的規(guī)律在相同的激光作用時(shí)間的條件下，能量差△E越大，材料的升溫速度越快。在相同的溫度差△E的條件下，材料的比熱越小，激光作用區(qū)材料的溫度越高在相同的激光照射條件下，材料的等熱子數(shù)越小，激光作用區(qū)與其相鄰地區(qū)之間的溫度梯度越大。激光打孔激光打孔激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)。1激光打孔速度快，效率高，經(jīng)濟(jì)效益好2激光打孔可獲得大的深徑比3激光打孔可在硬，脆，軟等各類(lèi)材料上進(jìn)行4激光打孔無(wú)工具損耗5激光打孔適合于數(shù)量多，高密度的群孔加工6用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔，加工與工件表面成6o~90o角的小孔。激光打孔的原理

激光打孔是激光和物質(zhì)相互作用的熱物理過(guò)程，由激光束特性（波長(zhǎng)，脈寬，波形，光束發(fā)散角，聚焦?fàn)顩r等）和物質(zhì)的熱物理特性決定的。激光打孔的過(guò)程1激光照射金屬表面2金屬吸收至發(fā)生強(qiáng)烈的相變由固態(tài)——液態(tài)——?dú)鈶B(tài)3熱能增加，使金屬蒸氣以較高的壓力從液相的底部猛烈噴出，并攜帶著液相材料一起噴，形成火花濺射。4加熱停止，液態(tài)金屬重新凝固，在孔壁形成再熔層。打孔過(guò)程示意圖激光打孔的過(guò)程“1”：材料開(kāi)始被加熱，由于反射等原因，溫升較慢，熱能向內(nèi)部傳導(dǎo)，材料大區(qū)域升溫，局部相應(yīng)的以熔化為主，熔化面積大但深度淺；“2”：液相金屬吸收率增大，加熱劇烈，熔融區(qū)面積縮小，而深度增加，孔徑開(kāi)始收斂，蒸氣開(kāi)始出現(xiàn)；“3”“4”：打孔過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，材料的汽化比例劇增至最大，蒸氣帶著液相材料飛濺，形成了孔的圓柱段；“5”：材料的加熱已臨近結(jié)束，汽化及熔化趨于結(jié)束，從而形成了孔的尖銳的錐形孔底。說(shuō)明：孔的形成是材料在激光熱源照射下產(chǎn)生一系列熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果，與材料的熱物理性質(zhì)有極大關(guān)系。激光打孔的過(guò)程激光打孔的主要參數(shù)

1、

激光脈沖的能量對(duì)打孔的影響2、

脈沖寬度對(duì)打孔的影響3、激光光強(qiáng)波形的影響4、

激光打孔中離焦量對(duì)打孔的影響5、

脈沖激光的重復(fù)頻率對(duì)打孔的影響6、

被加工材料的影響激光脈沖能量對(duì)打孔的影響（1）激光打孔的基本要素：被加工材料的蒸發(fā)和熔化；孔深的增加主要靠蒸發(fā)孔徑的增加主要靠孔壁材料的熔化和利用剩余蒸氣壓力對(duì)熔融狀物資的排除激光脈沖能量對(duì)打孔的影響（2）

當(dāng)激光功率很高時(shí)，熱傳導(dǎo)引起的能量損失可忽略不計(jì)，激光能量E幾乎全部用于對(duì)材料的破壞和蒸發(fā)去除。根據(jù)能量平衡原理：E＝1/4πd2h·Lp其中Lp為材料的單位體積破壞比能（J/㎝3）激光脈沖能量對(duì)打孔的影響（3）

d∝3E1/3h∝3E1/3能量增加會(huì)產(chǎn)生更多的氣相物資，因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖志波，致使高壓蒸氣帶著熔融狀物質(zhì)從孔底高速向外噴射。功率密度越大，產(chǎn)生的蒸氣壓力越大，高壓蒸氣帶走的液相物資越多，孔徑和孔入口處越大。

激光脈沖能量對(duì)打孔的影響（4）

l

當(dāng)要求激光打孔的孔深和孔徑值較大時(shí)，激光脈沖能量也應(yīng)較大l

材料的導(dǎo)熱性越好，熔點(diǎn)越高，或硬度越高，脈沖能量也應(yīng)越大l

過(guò)大的脈沖能量會(huì)使孔的錐度和直徑變大，且孔的入口處破壞較大脈沖寬度對(duì)打孔的影響

當(dāng)其它參數(shù)不變，若脈沖寬度越窄，則時(shí)間能量密度越大，打孔產(chǎn)生的氣相物資比例越大，金屬蒸氣壓力也越大。由于孔深的增加主要靠蒸發(fā)。因此窄脈寬可得到較深的孔深和較大的孔徑。脈寬對(duì)打孔的影響

脈沖寬度增加，時(shí)間能量密度下降，孔內(nèi)金屬蒸氣密度減少，蒸氣壓力下降。此時(shí)激光能量主要以熱傳導(dǎo)方式橫向表現(xiàn)，由此產(chǎn)生大量的液相物資；而較小的金屬蒸氣壓力不能把液相物資從孔內(nèi)排出，使其無(wú)規(guī)律地重新凝結(jié)于孔的內(nèi)壁，造成孔的深度和孔的直徑減小，精度下降，孔的表面粗糙度降低，使打孔過(guò)程難以控制。最佳脈寬：0.4－0.8ms脈沖寬度對(duì)打孔的影響

需要大的孔深時(shí)，對(duì)于導(dǎo)熱性較好地材料（如Al,Cu等），應(yīng)使用較窄激光脈沖進(jìn)行打孔；而對(duì)于導(dǎo)熱性較差的材料（如硬質(zhì)合金，Al2O3等）可用較寬的脈沖進(jìn)行打孔，這樣可以提高能量的利用率。脈沖寬度對(duì)打孔的影響盲孔深度隨脈寬的變化盲孔直徑隨脈寬的變化

聚焦鏡的選擇

激光的聚焦光斑直徑d=f·θ短焦距的透鏡加工小而深的孔，但以受打孔過(guò)程中飛濺物的污染。有實(shí)用價(jià)值的聚焦應(yīng)大于20mm發(fā)散角與光斑直徑的關(guān)系離焦量

激光經(jīng)透鏡聚焦后的激光焦點(diǎn)光斑最小，能量密度最大。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各個(gè)平面上光斑能量分布相對(duì)均勻，容易獲得合適的功率密度。激光加工通常需要一定的離焦量。離焦方式有兩種：正離焦和負(fù)離焦。激光的焦點(diǎn)離焦量離焦量的選擇

離焦量是激光打孔時(shí)孔軸向剖面形狀的最主要的影響因素，對(duì)孔徑有一定的影響。

離焦量與錐度的關(guān)系離焦量對(duì)孔壁形狀的影響

當(dāng)Δf≤0時(shí)，激光以會(huì)聚方式進(jìn)入材料，孔壁不能直接接受光照，只能靠熱傳導(dǎo)產(chǎn)生相變，因此液相多而氣相少，有較大可能使熔融物殘留堆積使孔壁畸形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全堵住已打成的孔。采用負(fù)離焦時(shí)，孔的軸剖面呈桶形或是錐形。

離焦量的選擇離焦量的選擇

當(dāng)Δf＞0，在合適的范圍內(nèi)，激光光線(xiàn)可直接照射到孔壁上，時(shí)孔壁直接接受光能，有時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)幾次反射才能射孔外，材料的相變幾乎是在光線(xiàn)直接照射下發(fā)生。若有足夠強(qiáng)的激光功率密度，材料的氣相就會(huì)多于液相，有較大的蒸氣壓形成蒸發(fā)。此時(shí)，孔壁平直，熔融物不易殘留堆積，孔形質(zhì)量最好。

離焦量的選擇

當(dāng)Δf較大，工件表面偏離焦平面較大時(shí)，材料吸收光能密度太大，只能有少量材料氣化或液化，往往只能形成一個(gè)坑，不能打孔。只有在薄片上打微米深的小孔時(shí)，才會(huì)用Δf＝0激光打孔脈沖次數(shù)的選擇

單次脈沖打孔存在很多難以控制的因素。1.氣化飛濺物對(duì)激光的屏蔽及散射2.

未被噴射的液態(tài)金屬的再凝固

單次脈沖主要用于在薄板零件打盲孔，打孔更多采用多脈沖打孔。

多脈沖打孔

機(jī)理：光脈沖“校正”“剝蝕”打孔光脈沖“校正”

“校正”打孔是利用后面幾個(gè)脈沖對(duì)前面打孔留下的不足進(jìn)行修正。

通常用3－6個(gè)脈沖，脈沖能量用“低，高，高…”方式組合?！皠兾g”打孔“剝蝕”打孔是指用一系列的窄脈寬的脈沖激光，一點(diǎn)點(diǎn)地去除材料，使每個(gè)小脈沖單獨(dú)加工，材料熔化量最小，且未被噴射地液態(tài)金屬會(huì)薄薄地凝固于孔壁。脈沖間隔時(shí)間大于加工時(shí)間。

波形的影響材料對(duì)孔徑的影響幾種材料激光打孔的概況

幾種材料激光打孔的概況

幾種材料激光打孔的概況YAG激光器用于金屬打孔情況

CO2激光器在塑料件上打孔參數(shù)激光焊接激光焊接的機(jī)理

激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，使金屬溶化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過(guò)程中，金屬溶化僅為其中一種物理現(xiàn)象，光能以其它多種形式表現(xiàn)出來(lái)，如氣化、等離子體形成等。為此須控制引起各種物理現(xiàn)象的激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)換成金屬溶化的能量，達(dá)到焊接目的。

幾種焊接方法的比較激光焊接的分類(lèi)不同激光功率大小與金屬作用的現(xiàn)象不同，激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊接深穿透溶化焊接。

熱傳導(dǎo)焊接激光焊接熱傳導(dǎo)焊接

當(dāng)激光直接照射到材料的表面后，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏訜崛芑?，材料表面層的熱以傳?dǎo)方式繼續(xù)向材料深處傳遞，直至將兩個(gè)待焊接的接觸面互熔并焊接在一起為止。焊接時(shí)要求金屬表面在沸點(diǎn)附近的狀況下傳遞能量，且表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大熔深。(c)當(dāng)光束的功率密度增大至106～107W/cm時(shí)，熔池形成細(xì)小的深孔?？罩械慕饘俨糠直徽舭l(fā)，另一部分被排擠到熔池周?chē)?，形成深寬比更大的下凹圓錐形焊點(diǎn)。

(a)是典型的熱傳導(dǎo)型焊接，功率密度一般為105-106W/cm2,脈沖寬度為10-3～10-21S，由于能量密度不太大，還不至于引起強(qiáng)烈蒸發(fā)，焊縫形狀象半球形。(b)

多數(shù)激光焊接時(shí)出現(xiàn)較強(qiáng)的蒸發(fā)，在蒸汽壓力下熔化表面下凹，如果金屬濺射時(shí)切斷光束后，未凝固的金屬流回填充下凹，焊縫形狀為表面略呈凹形的圓錐形，熔化深度較前圖大激光熱傳導(dǎo)焊接各工藝參數(shù)激光能量密度或功率密度激光脈沖波形激光脈沖寬度離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響激光脈沖頻率及光斑重疊度焊接結(jié)構(gòu)氣體保護(hù)

激光能量密度或功率密度

功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。根據(jù)熱能傳導(dǎo)方程，可求出在一定脈寬τ條件下，在材料的一定范圍內(nèi)達(dá)到某一溫度所需的功率密度

q=0.886TK/(ατ)1/2

α為熱擴(kuò)散率，K為熱傳導(dǎo)率激光脈沖波形

激光脈沖波形在脈沖激光焊接中是一個(gè)重要參數(shù)。隨著光照區(qū)溫度逐漸上升到熔點(diǎn)，反射率迅速下降，當(dāng)金屬表面達(dá)到沸點(diǎn)，反射率又迅速下降（沸點(diǎn)時(shí)，鋼的反射率為14％，鋁的反射率為20％）。由于反射率隨溫度變化的特性，若需要保證金屬表面維持在熔沸點(diǎn)間傳遞能量，不出現(xiàn)熔深太淺或太深的現(xiàn)象，推算出激光脈沖波形。反射率隨脈沖時(shí)間的變化

具體到鋁這種高反射率的材料，高功率激光使鋁材迅速熔化，熔化的鋁材的激光吸收率馬上升高，這時(shí)要求激光功率降低以避免出現(xiàn)激光深熔焊。而鋼及類(lèi)似金屬，其表面反射率變化不大，宜采用較為平坦的激光波形成平頂波。激光脈沖波形激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一,是區(qū)別于材料除去和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)熔深確定脈寬最大熔深是表面吸收激光功率密度的函數(shù)q0*Zmax=1.2K(Tv-Tm)

脈沖終止材料表面達(dá)到沸點(diǎn)所需激光功率密度

q=0.886TK/（ατ）1/2K為熱傳導(dǎo)率，α為熱擴(kuò)散率，τ為脈寬。最大熔深與脈寬的關(guān)系

Zmax∝τ1/2根據(jù)熔深確定脈寬

材料中的溫度與功率密度成正比，與脈寬（τ）1/2成正比例?？s短脈寬比延長(zhǎng)脈寬更有效。短脈寬熱功率密度和熱效率較高，激光參數(shù)可焊范圍窄，增加脈寬則反之，同時(shí)設(shè)備體積增大。在要求有較大熔深時(shí)，在不影響效果性能的情況，盡可能使金屬表面有較大汽化，即q0取值盡量加大。某些金屬的ZI0Zmax值

及不同脈寬所能達(dá)到的最大溶深

脈寬越長(zhǎng)，熱影響區(qū)越大。實(shí)際焊接應(yīng)當(dāng)考慮熱量對(duì)工件及其內(nèi)部器件的影響。熱影響區(qū)范圍確定脈寬

當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，相應(yīng)平面的功率密度近似相同，但負(fù)離焦時(shí)可獲得的熔深更大。激光加熱50－200us材料開(kāi)始熔化，形成液相并出現(xiàn)部分汽化，高濃度氣體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化和汽化，使光能向材料更深處傳遞。離焦量還影響材料表面熔化斑點(diǎn)的直徑以及熔池的徑深比。離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響熔點(diǎn)與焦點(diǎn)的關(guān)系

用脈沖激光器獲得焊縫是通過(guò)熔點(diǎn)重復(fù)疊加形成的。焊接的速度由脈沖重復(fù)頻率及熔點(diǎn)重疊共同決定。激光脈沖頻率及光斑重疊度光斑重疊度2光斑重疊度2薄片間的接頭形式金屬絲的焊接結(jié)構(gòu)金屬絲的焊接結(jié)構(gòu)金屬絲的焊接結(jié)構(gòu)金屬絲激光焊接性能和工藝參數(shù)

金屬絲與塊壯零件的焊接結(jié)構(gòu)金屬絲與塊壯零件的焊接結(jié)構(gòu)

對(duì)縫焊接最重要的是尺寸精確性，在實(shí)際的激光焊接加工過(guò)程中，工件間需用工裝夾具提供夾緊力，防止產(chǎn)生間隙和焊接變形。若兩片金屬不能精確對(duì)齊，其焊接外觀也很差。

焊接結(jié)構(gòu)

焊接過(guò)程中保護(hù)氣體有如下作用：①保護(hù)光學(xué)器件不被污染②保護(hù)工件表面不被氧化產(chǎn)生裂紋③驅(qū)除等離子體。保護(hù)氣體采用不易電離和氧化的惰性氣體或氮?dú)?，一般由與光軸氣咀噴射到工件表面，氣流量合適。氣流量過(guò)小，起不到應(yīng)有的作用；而氣流量過(guò)大，又會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生影響，將熔池內(nèi)的液態(tài)金屬吹亂。氣體保護(hù)不同的保護(hù)氣體對(duì)熔深的影響深穿透溶化焊接激光焊接深穿透溶化焊接

高功率密度的激光束照射到材料上時(shí)，材料被加熱溶化以至汽化，產(chǎn)生較大的蒸汽壓，在蒸汽壓的作用下，溶化金屬被排擠在光束周?chē)?，使照射處呈現(xiàn)一個(gè)凹眼，隨著激光束繼續(xù)照射，坑眼越來(lái)越深。激光停止照射后，被排擠在坑眼周?chē)娜芑饘僦匦铝骰氐桨伎樱毯髮⒐ぜ附釉僖黄?。深穿透溶化焊接的幾何特征激光快速熔凝示意圖深熔焊腔內(nèi)液體金屬的流動(dòng)深熔焊接頭的主要形式(a)對(duì)接；（B）搭接；（c）點(diǎn)固；（d）凸緣（e）角接深熔焊接頭設(shè)計(jì)要求聚焦方法深熔焊熔深與功率的關(guān)系304不銹鋼在10KW功率熔深

與焊速的關(guān)系兩種金屬熔、沸點(diǎn)示意圖

只有在A、B兩種金屬熔、沸點(diǎn)有重疊時(shí)才能焊好脈沖激光焊的部分應(yīng)用激光標(biāo)記激光標(biāo)記的原理激光標(biāo)記：用激光束在各種不同的物質(zhì)表面作出永久的標(biāo)記。標(biāo)記的效應(yīng)是通過(guò)表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì)，或者是通過(guò)光能導(dǎo)致表層物質(zhì)的化學(xué)物理變化而“刻”出痕跡，或者是通過(guò)光能燒掉部分物質(zhì)，顯出所需刻蝕的圖形、文字。原理一：光學(xué)“熱加工”，具備較高能量密度的激光束，照射到被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)發(fā)生熱激發(fā)過(guò)程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。原理二：或周?chē)橘|(zhì)內(nèi)的化學(xué)鍵，致使材料發(fā)生非熱過(guò)程破壞。光學(xué)“冷加工”，具有高負(fù)荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機(jī)材料）激光標(biāo)記的五大特征標(biāo)記永久耐磨：激光標(biāo)記的原理是激光照射工件表面材質(zhì)，產(chǎn)生局部高溫，而使材料本身被汽化或在高溫下被氧化而產(chǎn)生印記，除非材質(zhì)本身被破壞，激光標(biāo)記不會(huì)被磨損；無(wú)接觸式加工：激光標(biāo)記是激光束照射工件表面而留下的印記，無(wú)外力作用于材質(zhì)表面，因而無(wú)需擔(dān)心材質(zhì)在標(biāo)記時(shí)被破壞或變形；任意圖形編輯：激光標(biāo)記設(shè)備均采用計(jì)算機(jī)控制，可對(duì)任意圖形文字進(jìn)行編輯輸出，無(wú)需制版制模；高效率低成本：激光束在計(jì)算機(jī)控制下可以高速移動(dòng)，通過(guò)分光技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)多工位同時(shí)加工；環(huán)保無(wú)污染：相對(duì)于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷和化學(xué)腐蝕等標(biāo)記方法，激光打標(biāo)無(wú)三廢物質(zhì)排放，因而工作環(huán)境清潔。激光打標(biāo)與其它標(biāo)記技術(shù)的比較

激光標(biāo)記設(shè)備的三大組成部分激光器光學(xué)系統(tǒng)控制單元激光標(biāo)記的分類(lèi)點(diǎn)陣式標(biāo)記法掩模式標(biāo)記法掃描式標(biāo)記法點(diǎn)陣式標(biāo)記法用一臺(tái)或多臺(tái)激光器同時(shí)發(fā)射脈沖激光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理后，使一個(gè)或多個(gè)激光脈沖在工件表面燒蝕（熔化）出大小及深度均勻的痕跡，組成字符和圖案。常用5×5，7×5，7×7，9×7等陣列。掩模式標(biāo)記法激光束經(jīng)準(zhǔn)直成平行光，通過(guò)鏤空的掩模板，經(jīng)過(guò)聚焦鏡在材料表面成像并刻蝕出圖形或字符。掃描式標(biāo)記法激光標(biāo)記的工藝參數(shù)激光波長(zhǎng)激光脈沖頻率激光功率密度聚焦鏡焦距與離焦量掃描速度及掃描方式材料性質(zhì)激光器CO2激光器：波長(zhǎng)10640nm,多采用射頻激勵(lì)CO2激光器，主要用于非金屬材料雕刻、標(biāo)記、切割；Nd:YAG激光器：波長(zhǎng)1064nm，主要有燈泵浦和半導(dǎo)體泵浦兩種激光器，主要用于金屬材料標(biāo)記；二倍頻綠光激光器：波長(zhǎng)532nm，基于Nd:YAG激光器，采用倍頻技術(shù)產(chǎn)生的，為可見(jiàn)的綠色光，可用于激光標(biāo)記和精密加工紫外激光器：波長(zhǎng)355nm，屬紫外光，屬于光學(xué)冷加工范疇，可用于激光標(biāo)記和光學(xué)微加工一般而言：波長(zhǎng)愈短，金屬材料對(duì)激光的吸收率就高；同時(shí)，波長(zhǎng)愈短，經(jīng)過(guò)聚焦后的光斑直徑就越小，在精密微加工中，短波長(zhǎng)激光器正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。光譜劃分不同波長(zhǎng)的固體激光打標(biāo)機(jī)激光器（Laser）半導(dǎo)體泵浦：是采用半導(dǎo)體發(fā)光模塊作為泵浦源，對(duì)激光晶體進(jìn)行泵浦產(chǎn)生激光，半導(dǎo)體泵浦激光器目前主要分為三種：側(cè)泵浦、端泵浦、Thin-Disc泵浦（薄片泵浦）側(cè)泵浦sidepump：半導(dǎo)體泵浦源位于激光晶體的側(cè)面，激光標(biāo)記用的側(cè)泵浦激光器多為35W或50W；端泵浦endpump：半導(dǎo)體泵浦源位于激光晶體的端面，半導(dǎo)體模塊光傳導(dǎo)方向與激光方向相同，光學(xué)模式優(yōu)于側(cè)泵浦方式；Thin-Disc泵浦（薄片泵浦）：基于端泵浦的最新半導(dǎo)體泵浦技術(shù)，可獲得更好的光束質(zhì)量，更低的使用成本。1、激光晶體2、激光束3、輸出鏡4、半導(dǎo)體陣列5、校準(zhǔn)鏡6、全反鏡片7、冷卻器8、供電側(cè)泵浦半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG激光器原理圖端面泵浦半導(dǎo)體激光器Thin-Disc泵浦半導(dǎo)體激光器光學(xué)系