《激光原理与应》PPT课件.ppt

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1、焊接论文题目激光原理及激光加工应用参考材料：激光加工技术，王家金，中国计量出版社激光原理与技术施亚齐华中科技大学出版社激光辐照效应，孙承伟，国防工业出版社课程主要内容引 言 激光的应用第一章 激光的基本物理特性第二章 激光产生的基本原理及激光器第三章 激光加工系统第四章 激光打标、激光切割第五章 激光焊接第六章 激光清洗激光加工技术应用概述一、激光加工方法激光切割激光焊接激光表面处理激光雕刻各种加工方法的适用范围打标:激光器:激光功率:材料:方法:时间:优点:商标、刻度以及刻度图案的标记RSM 100Q100 W不锈钢雕刻25秒高精度(150 mm以上的误差 5 m)激光表面打标应用举例激光表

2、面打标应用举例打标:激光器:材料:方法:打标时间:优点:文本、标志、数据代码以及二维矩阵代码的标记ROFIN IC 打标机塑料复合材料非常轻微的雕刻500字符秒(单加工头）1000字符秒以上(双加工头)标刻深度小于25 m激光表面打标应用举例激光器:激光功率:材料:时间:优点:RSM 130D3W彩色塑料低于15秒永久性标识可从后部照明激光切割应用举例2、激光切割激光切割应用举例3、激光焊接热导焊接、深熔焊接激光焊接应用举例激光焊接应用举例激光热处理激光热处理激光淬火激光淬火激光熔覆激光熔覆激光合金化激光合金化激光冲击强化激光冲击强化激光毛化激光毛化激光快速成型激光快速成型激光清洗激光清洗激光

3、非晶化激光非晶化4.激光热处理种类激光热处理种类世界激光加工技术的发展现状工业激光器的市场分布激光器制造商：美国：PRCPRAMA德国：HAASTRUMPFROFIN-SINAR英国：LUMONICS日本：川崎重工东芝切割24%焊接14%打标24%14%雕刻 3%12%微处理各种加工方法的应用比例打孔 其它9%激光加工技术在汽车中的应用第一章 激光及物理特性激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960

4、年激光才被首次成功制造。激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。2023/2/6LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER中文：大陆地区：激光激光，港澳地区：激光激光、镭射镭射，台湾地区：雷射雷射|英语：Laser2023/2/6能量激光束物理特性P波长激光自然光一、激光的特性：单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性 激光的单色性比一般光高出106107倍以上。自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性

5、；CO2：10.6m CO：5.4m YAG：1.06m 准分子：0.24m；激光束2、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-310-5弧度。激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：(发散角)等相位面激光的方向性带来两个结果：光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。3、相干性好以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是光的干涉。自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不

6、相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。2023/2/62023/2/6三、高能激光束的获取为了获得满足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：1、提高激光束的输出功率（亮度特性）CO2激光：45kW，YAG激光-5kW，半导体激光-4kW；2、提高激光束的光束质量（发散角）3、采用适当的 聚焦方法（透镜、反射镜聚焦）光束参数积(光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积)与激光功率决定加工范围4、横模光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光加工影响极大。光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。

7、通常用TEMmn表示不同横模的光场分布：旋转对称横模轴对称横模气体激光器固体激光器第二章 激光产生的基本原理及激光器一、能级、跃迁、辐射1、能级：当原子或分子内部的电子与外界交换能量时，原子的内能也将发生变化，但内能的变化是不连续的，其内能的状态成为能级。粒子（分子或原子）可以处于许多不同的能级，稳态能级称为基态。2、辐射跃迁：粒子从外界吸收能量时从低能级跃迁到高能级；从高能级跃迁到低能级时向外界释放能量。如果吸收或释放的能量是光能，则称此跃迁为辐射跃迁。辐射光子的能量：公式中：h-谱朗克常数 -光波频率3、激发：实现粒子从低能级向高能级的跃迁过程成为激发，方式主要以：加热激发、辐射激发、碰撞

8、激发。E=E2 E1=h激光的产生过程可归纳为：激光的产生过程可归纳为：激励能源工作物质全反射镜部分反射镜激激光光产产生生工工作作物物质质光光子子放放大大及及振振荡荡其其它它粒粒子子的的受受激激辐辐射射偶偶然然的的自自发发辐辐射射粒粒子子数数反反转转外界激励光学谐振腔二、粒子数反转1、亚稳态能级：粒子在受激状态下，可以存在的时间较长的能级称为亚稳态能级。2、粒子数反转：热平衡状态下，处于高能级的粒子远远少于处于基态的粒子数，如果在外界作用下打破平衡，使亚稳态能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，这种状态称为粒子数反转3、激光工作物质：凡是可通过激励实现粒子数反转的物质都称激光工作物质。固体工作物

9、质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃；气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；半导体工作物质：砷化镓工作物质工作物质被激励后能发生粒子数反转的活性物质被激励后能发生粒子数反转的活性物质激励装置激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源能使激活介质发生粒子数反转分布的能源光激励：用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）；电激励：用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子；化学激励：应用化学反应方法；热激励：超音速绝热膨胀法；注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。典型激光器按工作波段分类远红外、红外激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光

10、器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器按工作物质分类固体激光器气体激光器染料激光器半导体激光器激光器内部结构晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）；全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度；半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%；Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束；功率计：量测输出的激光能量大小；Shutter：控制激光输出的一个开关。全反光镜反光镜：（越75%）Q-Switch晶体腔功率计Shutter接光纤激光器外形激光器内部分解图Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器

11、(10 0)(02 0)(010)(00 0)CO2气体激光器，YAG固体激光器，半导体激光器（一）CO2气体激光器1、CO2气体激光器的工作原理工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%；光束波长：10.6m;13010.6m09.6m0102、激光器的组成光学稳定谐振腔：激光仅通过半透明反射镜离开谐振腔。光学不稳定谐振腔：谐振腔由100反射的反射镜组成，激光经过其中一面反射镜离开谐振腔。2、CO2激光器的组成2、电极4、冷却水6、出水口8、激光束10、风机1、全反镜3、交流电源5、谐振腔7、输出窗口9、热交换器11、进水口3、CO2激光器的分类（1）根据气体流动方式

12、分类：封闭管式：工作气体在谐振腔中不流动；慢 流 式：工作气体在谐振腔中缓慢流动；横 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向垂直；轴 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向同轴；（2）根据激励方式分类：普通直流高压激励：交流升压高压整流（16kV）；逆变直流高压激励：交流变频低压整流直流升压（16kV）；射频激励：采用无线电波的频率进行激励；（3）根据谐振腔形式分类：单管直腔式：光束在直线式的腔中振荡，通常用于慢流式激光器中；折叠腔式：内部光路中增加折叠镜，增加激光的振荡长度以提高功率；激光器类型：横流 轴流扩散冷却输出功率等级：345kW 1.520kW0.23.5kW脉

13、冲能力：DCDC-1kHzDC-5kHz光束模式：TEM02以上TEM00-TEM01TEM00-TEM01光束传播系数(K)0.150.40.8气体消耗：小 大极小电-光转换效率：15%15%30%焊接效果：较好 好优良切割效果：差 好优良相变硬化：好 一般一般表面涂层：好 一般一般表面熔覆：好 一般一般（二）固体激光器固体激光器分类根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级根据泵浦方式分类：氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲；氪弧光灯

14、泵浦:连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲；调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），脉冲宽度：100500ns，频率：几百62kHz。Nd:YAG激光波长1.06m,可用于加工高反射率材料（如铝、铜）激光活性物质钕(Nd3+离子)位于钇-铝-石榴石(Y-A-G)组成的固态晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为片状或碟状。工业应用的脉冲Nd:YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出较高的脉冲功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的15倍。工业上应用的连续Nd:YAG激光器的输出功

15、率已达到5kW以上。连续Nd:YAG激光器与脉冲系统相比可达到更高的加工速度。连续Nd:YAG激光器具有Q-开关的特殊工作模式。Nd:YAG激光特性1、灯泵浦Nd:YAG激光器大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径710mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。灯泵浦Nd:YAG体激光器将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高功率的激光束，每个独立的棒可通过透镜引导并规则的排列起来。目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。输出4kW功率。1kW的脉冲Nd:YAG激光器2、二极管泵浦YAG激光器二极管在连续输出模式

16、下的使用寿命可超过10000小时(用于打标时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：侧向、横向泵浦2、半导体泵浦YAG激光器低功率激光器：末端泵浦高功率激光器：侧向、横向泵浦1.Nd:YAG晶体棒2.激光束3.输出镜4.半导体阵列5.后镜6.冷却水7.电源半导体在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时(用于打标时寿命可超过15000小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器的寿命只在1000小时以下(打标激光器为2000小时以下)。二极管泵浦YAG激光器在材料加工中的

17、优势灯式泵浦Nd:YAG激光器加工头二极管泵浦Nd:YAG激光器加工头的加工灵活性的增加聚焦直径更小工作距离更远加工效率更高(更高的速度或更低的功率要求)热输入低加工灵活性更高HQHQ光学镜片更细小难以到达的工作区HQHQ =由高质量光束引起较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度光束质量高：工作距离大瑞利长度大：焦点位置对公差不敏感（三）半导体激光器工作原理半导体结构内的电子空穴复合时，可以在非常窄、非常薄的区域内产生几毫瓦功率的光。半导体激光器的应用半导体激光器焊接汽车尾灯半导体激光器焊接橡胶与塑料工业用激光器总结激光加工系统工作台CNC控制系统 第三章一、激光加工系统的构成循环水

18、冷系统激光器气体供给系统光束传输及聚焦CNC控制激光器控制器二、光束的传输与聚焦（一）光束的传输扩束后的激光束f2f1扩束镜激光束扩束镜：用来控制激光器产生的原始光束的发散程度，将光束直径调整到聚焦光学系统所需的任意尺寸。1、光束的扩束2、光束的转向光束转向镜输出2输出1100%激光束CO2激光器和Nd:YAG激光器的传统转向方法都是将反射镜插入在光束的传输路径中。3、能量的分配几何分配激光束透射分配激光束光束转向镜50%50%部分透射镜50%50%4、反射镜传输CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理.校准模块光束反射腔聚焦模块f3耦合单元激光束5、光纤传输光纤传输基本原理CCD光纤f1f2

19、聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合角不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。光纤传输方式a)阶跃折射率光纤b)梯度折射率光纤出光纤后的强度分布进入光纤前的强度分布折射指数nn1n2折射指数nn1n2出光纤后的强度分布进入光纤前的强度分布光纤传输方式光纤聚焦镜冷却设备光束转向镜激光束多路转接器以很高的转向频率，依次给超过20根的光纤提供光源，适合“多点”或“多工位”激光加工。（二）光束的聚焦扫描式焊接加工头变焦点光学元件（三）、激光加工系统分类根据轨迹特性：二维平面轨迹系统（二轴、三轴）三维空间轨迹系统（四轴、五轴、六轴）根

20、据时间特性：能分系统、时分系统二维平面轨迹加工（切割、焊接）系统四轴、三维空间轨迹加工系统三维空间轨迹机器人加工系统远距离焊接系统原理（四）、工作气体指焊接过程中作为保护或其它目的的工艺气体。通常，喷嘴到工件的距离在310mm的范围之间，典型的喷嘴孔直径在48mm之间，经常使用低气压，气体流速在830L/min之间。第四章第四章、激光激光打标与激光切割介绍打标与激光切割介绍激光标刻机激光标刻机灯泵浦激光打灯泵浦激光打标机标机半导体激光泵半导体激光泵浦打标机浦打标机二氧化碳激光二氧化碳激光打标机打标机光纤激光打光纤激光打标机标机半导体侧面泵半导体侧面泵浦激光打标机浦激光打标机半导体端面泵半导体端

21、面泵浦激光打标机浦激光打标机准分子激准分子激光打标机光打标机1.激光标刻机种类激光标刻机种类1）按激光器分）按激光器分2）按工作方式划分）按工作方式划分按工作方式可分为连续型激光标刻机和脉冲型激光标刻机。按工作方式可分为连续型激光标刻机和脉冲型激光标刻机。3）按激光器波长分）按激光器波长分按激光器波长分为红外、可见光、紫外光激光标刻机。按激光器波长分为红外、可见光、紫外光激光标刻机。4）按扫描方式分）按扫描方式分按激光器扫描方式分为光路静止型和光路运动型。按激光器扫描方式分为光路静止型和光路运动型。典型为振镜式、工作台运动式、典型为振镜式、工作台运动式、x/y轴激光运动式。轴激光运动式。激光打

22、标技术对比传工艺的优越性激光打标技术对比传工艺的优越性1、精度高，适应多种材料，且耐久性非常好4、易于数控搭载，自动化程度高2、时间和空间控制灵活,且加工方式灵活5、无污染，高环保3、线条精细，可用于防伪激光打标技术的广泛应用激光打标技术的广泛应用常用切割激光器及应用激光器激光器光束模式光束模式输出功率输出功率主要应用主要应用YAGYAG激光器激光器多模多模0-4kW0-4kW航空、机械、电子、动力、化工、汽航空、机械、电子、动力、化工、汽车制造等行业的零部件等的切割。车制造等行业的零部件等的切割。COCO2 2激光器激光器多模多模0-10kW0-10kW金钢石锯片、双金属带锯条、水泵叶金钢石

23、锯片、双金属带锯条、水泵叶片、钢板、暖气片的切割。片、钢板、暖气片的切割。光纤激光器光纤激光器TEMTEM00000-20kW0-20kW汽车行业异型板材切割汽车行业异型板材切割激光切割技术对比传统切割工艺的优越性激光切割技术对比传统切割工艺的优越性切割工艺切割工艺激光切割激光切割气燃体切割气燃体切割等离子等离子切割切割模冲模冲锯切锯切线切割线切割水切割水切割电火花电火花加工加工切缝切缝很小很小很大很大较大较大较小较小较大较大较小较小较大较大很小很小变形变形很小很小严重严重较大较大较大较大较小较小很小很小小小很小很小精度精度高高低低低低低低低低高高高高高高图形变更图形变更很容易很容易较容易较容

24、易较容易较容易难难难难容易容易容易容易容易容易速度速度较高较高低低较高较高高高很慢很慢很慢很慢较高较高很慢很慢费用费用较低较低较低较低较低较低低低较低较低较高较高很高很高很高很高由上表可见，激光加工在整体上存在明显的优势！由上表可见，激光加工在整体上存在明显的优势！不论是不论是从精度、速度、还是费用从精度、速度、还是费用上激光加工的优势很明显。而且图形变更上也比其上激光加工的优势很明显。而且图形变更上也比其他加工方式容易的多。因此激光加工是现代工业生产商不可缺少的必备手法。他加工方式容易的多。因此激光加工是现代工业生产商不可缺少的必备手法。激光切割激光切割激光切割激光切割技术的优势技术的优势技

25、术的优势技术的优势切割质量好切割质量好：切口细窄，表：切口细窄，表面光洁，热影响区小面光洁，热影响区小切割效率高切割效率高：与数控搭载，：与数控搭载，可适用不同形状零件可适用不同形状零件切割速度快切割速度快：1200w切切2mm低碳钢，速度可达低碳钢，速度可达600cm/min非接触式切割非接触式切割：无刀具磨损：无刀具磨损切割材料多切割材料多：金属、非金：金属、非金属、复合材料、皮革、纤属、复合材料、皮革、纤维、木材等维、木材等易实现自动化易实现自动化：与计算机数：与计算机数控技术结合控技术结合激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，

26、达到加工的目的。激光雕刻技术的应用领域激光雕刻技术的应用领域皮革服装业皮革服装业广告装饰行业广告装饰行业工艺礼品工艺礼品印刷包装印刷包装2023/2/677第五章、激光焊接技术2023/2/678主要内容1、概述2、激光焊接原理3、工艺特性及参数调节4、激光焊接加工系统5、激光先进焊接技术2023/2/62023/2/6激光焊与电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊的对比激光焊与电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊的对比1）电阻焊：）电阻焊：它用来焊接薄金属件，在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面，即通过工件电阻发热来实施焊接。工件易变形，而激光焊只从单边进行。2）氩弧焊：）氩弧焊

27、：使用非消耗电极与保护气体，常用来焊接薄工件，但焊接速度较慢，且热输入比激光焊大很多，易产生变形。3）等离子弧焊：）等离子弧焊：与氩弧类似，但其焊炬会产生压缩电弧，以提高弧温和能量密度，它比氩弧焊速度快、熔深大，但逊于激光焊。4）电子束焊：）电子束焊：它高能密度电子流撞击工件，在工件表面很小密积内产生巨大的热，形成“小孔”效应，从而实施深熔焊接。靠一束加速电子束焊的主要缺点是需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制。2023/2/682焊接设备的投资花费工艺类型工艺类型相对设备投入相对设备投入(手工电弧焊手工电弧焊=1)手工电弧焊手工电弧焊(MMA)1埋弧焊（埋弧

28、焊（SAW）10电渣焊电渣焊20+钨极氩弧焊钨极氩弧焊(TIG)2等离子弧焊等离子弧焊20+熔化极氩弧焊（熔化极氩弧焊（MIG）2电阻焊（对接）电阻焊（对接）0.5-10氧焊氧焊0.2电子束焊电子束焊10-450摩擦焊摩擦焊4-100激光焊激光焊100+电阻焊焊接基本原理电阻焊焊接基本原理 焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊区域产生的电阻热进行焊接的方法称为电阻焊。优点，优点，1 1）电阻焊具有生产效率高；）电阻焊具有生产效率高；2 2）焊接质量好；）焊接质量好；3 3）低

29、成本、节省材料；）低成本、节省材料；4 4）劳动条件较好；）劳动条件较好；5)5)易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、易于自动化等特点，因此广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。汽车、轻工等各工业部门，是重要的焊接工艺之一。和电弧焊接相比较：和电弧焊接相比较：1）热效率高，）热效率高，2）焊缝致密）焊缝致密、没有疏松和裂纹、没有疏松和裂纹等缺陷。等缺陷。2023/2/685通过激光束熔化材料来实现材料的连接；相对于其他激光加工工艺，激光焊接需要的能量密度更大。近年来，高功率、高质量光束激光器的发展，使得激光焊接成为工业应用关注的焦点

30、。激光焊接过程中会形成稳定的等离子体（耀眼的蓝色，但是在激光切割中，等离子体被彻底压制，并随熔融金属材料向下移动。常用焊接激光器及应用常用焊接激光器及应用激光器激光器波波长长/m光束模式光束模式输输出功率出功率主要主要应应用用YAG激光器1.06多模0-4kW航空、机械、电子、通讯、动力、化工、汽车制造等行业的零部件和电池、继电器、传感器、精密元器件等工件的焊接。CO2激光器10.6多模0-10kW金钢石锯片、双金属带锯条、水泵叶片、齿轮、钢板、暖气片焊接的焊接。半导体激光器0.8-0.9多模0-10kW塑料焊接、PCB板点焊，锡焊。光纤激光器1.06TEM000-20kW汽车车身焊接光斑一致

31、性好，红光与圆形光斑同心，能量输出效果最佳，稳定。焊接应用实例：（1）标准YAG脉冲脉冲激光器对常用金属焊接不锈钢、碳钢、铝材等，焊接厚度可达到2mm，经过打压测试，能够承受25Kg以上的压力。（2）手机通信电池应用，0.3mm壳厚焊接强度测试，抗压10Kg以上；（3）汽车动力电源应用，0.8mm壳厚焊接强度测试，抗压25Kg以上；（4）用大功率连续激光器对较厚材料进行焊接，如碳钢、不锈钢可焊厚度可达到9mm13mm；（5）5mm厚碳钢管材焊接，抗拉伸测试，焊缝能够承受400兆帕兆帕以上压力，最后母材断裂母材断裂，激光焊接焊缝完好。激光焊接激光焊接激光焊接激光焊接技术的优势技术的优势技术的优势

32、技术的优势可将入热量降到最低温度，可将入热量降到最低温度，热影响范围小，热影响范围小，热变形最低热变形最低降低厚板焊接所需时间，降低厚板焊接所需时间，省省填料金属填料金属无需电极，无需接触无需电极，无需接触；损；损耗及变形可降至最低耗及变形可降至最低激光束易聚焦激光束易聚焦,可再引导，可再引导，实实现柔性加工现柔性加工(其他焊接易受空其他焊接易受空间限制无法发挥间限制无法发挥)工件可放置在任意条件工件可放置在任意条件（如真空或内部气体环（如真空或内部气体环境）境）激光束可聚集在很小区域，激光束可聚集在很小区域，可焊接小型且间隔很近部可焊接小型且间隔很近部件件可焊材质种类多，亦可异可焊材质种类多

33、，亦可异质焊接，质焊接，易于实现自动化易于实现自动化不受磁场影响，无需真空；不受磁场影响，无需真空；可可切换装置将激光送达多个工作切换装置将激光送达多个工作站站激光焊接技术的广泛应用激光焊接技术的广泛应用制造业制造业汽车工业汽车工业电子工业电子工业生物医学生物医学2023/2/6932、激光焊接原理及物理机制按焊接特性分：热传导焊、深熔焊按光束特性分：脉冲激光焊、连续激光焊；按工艺方法分：纯激光焊、激光填丝焊、激光钎焊、双光束激光焊、激光复合焊等。激光焊接技术分类：激光焊接技术分类：2023/2/694激光热传导焊激光辐射到材料表激光辐射到材料表面的功率密度较低面的功率密度较低（106W/cm

34、2），光能），光能量只能被材料表层吸收，量只能被材料表层吸收，然后依靠热传导效应传然后依靠热传导效应传输热量。输热量。2023/2/695热导焊穿透深度式中，式中，z为激光在材料表层的穿透深度为激光在材料表层的穿透深度(通常只有几通常只有几十微米十微米)，为材料对激光的吸收系数，为材料对激光的吸收系数，I0为材料表面为材料表面吸收的光强，吸收的光强，I为光入射至为光入射至z处的光强。处的光强。一旦表面温度达到熔点，材料表面熔化，只要表面温一旦表面温度达到熔点，材料表面熔化，只要表面温度不超过沸点，熔化波向材料内部稳定传播，其传播度不超过沸点，熔化波向材料内部稳定传播，其传播速度与激光功率密度和

35、材料的液相、固相热力学参数速度与激光功率密度和材料的液相、固相热力学参数有关。有关。2023/2/696热传导焊接只适合薄板激光焊接当板材厚度低于0.3mm时，热传导焊接可以获得很高的焊接速度，有一定的工业价值；当板材厚度高于2mm，则激光热传导焊接的速度就太低，产业界无法接受；热传导激光焊接时，热传导系数高的材料比系数低的材料，焊接速度要快得多；激光热传导焊接技术主要用于薄壁零部件激光热传导焊接技术主要用于薄壁零部件的连接，如细金属丝（线），薄壁金属板材的连接，如细金属丝（线），薄壁金属板材和管材。和管材。2023/2/697激光深熔焊激光功率密度达到106108W/cm2，能够迅速汽化材料

36、并在材料内部形成小孔，并依靠小孔的移动形成焊缝。2023/2/698激光焊接能量传输比例激光焊接过程中：激光焊接过程中：4050的能量由于热传导损失掉，并导致的能量由于热传导损失掉，并导致热影响区的产生；热影响区的产生；2025的能量消耗于潜热相变；的能量消耗于潜热相变；2530的能量消耗于焊缝温升。的能量消耗于焊缝温升。具体还取决于材料的导热系数！具体还取决于材料的导热系数！2023/2/6993、工艺特性及参数调节输出方式（脉冲或输出方式（脉冲或连续）、光斑聚焦连续）、光斑聚焦尺寸、光束模式、尺寸、光束模式、偏振状态、波长偏振状态、波长激光功率、聚焦激光功率、聚焦位置，焊接速度、位置，焊接

37、速度、焊接结构与方式，焊接结构与方式，拼接间隙拼接间隙气体成分气体成分保护方式保护方式气压与流量气压与流量材料成分材料成分材料厚度材料厚度主要工艺参数主要工艺参数（1）激光束特点（光源）激光束特点（光源）（2）激光束调节参数及接头）激光束调节参数及接头形式形式（3）保护气体类型）保护气体类型（4）材料特性）材料特性2023/2/62023/2/6101脉冲激光焊接时的工艺参数范围比较激光切割激光切割激光打孔激光打孔脉脉冲冲能能量量焦焦耳耳脉宽（脉宽（ms)激光热传导焊接激光热传导焊接激光深熔焊接激光深熔焊接脉宽越大，脉宽越大，越有利于脉越有利于脉冲激光焊接冲激光焊接2023/2/6102激光波

38、长对焊接过程的影响对激光热传导焊接来说，波长的影响非常大。对激光热传导焊接来说，波长的影响非常大。短波长的吸收率高，焊接深度也高。短波长的吸收率高，焊接深度也高。波长对激光深熔焊接过程也有重要影响，主要波长对激光深熔焊接过程也有重要影响，主要表现为小孔外光致等离子对激光束能量的吸收：表现为小孔外光致等离子对激光束能量的吸收：n22T3/2n-n-气体密度，气体密度，激光波长，激光波长，T-T-等离子温度等离子温度n22T3/2（1 1）对于短波长激光而言，等离子体云对激光束）对于短波长激光而言，等离子体云对激光束的吸收程度较低；的吸收程度较低；Nd:YAGNd:YAG激光焊接时等离子体对激光焊

39、接时等离子体对激光束的吸收率较低，因此可以采用较为便宜的激光束的吸收率较低，因此可以采用较为便宜的气体。气体。（2 2）对于长波长激光而言）对于长波长激光而言(CO2(CO2激光器激光器)，为了减少，为了减少等离子体对激光能量的吸收，可采用电离度较大的等离子体对激光能量的吸收，可采用电离度较大的气体（气体（HeHe）一旦有效抑制了小孔外等离子体云的屏蔽效应，一旦有效抑制了小孔外等离子体云的屏蔽效应，一旦有效抑制了小孔外等离子体云的屏蔽效应，一旦有效抑制了小孔外等离子体云的屏蔽效应，激光波长对于深熔焊接来说直接影响不大，激光波长对于深熔焊接来说直接影响不大，激光波长对于深熔焊接来说直接影响不大，

40、激光波长对于深熔焊接来说直接影响不大，因为小孔效应作为黑体全部吸收入射激光的能量！因为小孔效应作为黑体全部吸收入射激光的能量！因为小孔效应作为黑体全部吸收入射激光的能量！因为小孔效应作为黑体全部吸收入射激光的能量！2023/2/6103材料特性对激光焊接的影响反射率：电阻率越小，材料反射率越大，如Cu、Al等金属的反射率很高，不利于激光焊接。此外，材料表面温度对材料反射率也有一定影响：温度越高，反射率越低。材料表面状材料表面状况况激光束能量吸收率激光束能量吸收率(%)纯铝纯铝5456铝合金铝合金原始状态原始状态75-12电解抛光电解抛光54喷砂喷砂2022阳极氧化阳极氧化22272023/2/

41、6104聚焦位置对焊接接头主要参数的影响最小光斑的影响最小光斑的影响：足够的功率密度才能形成小孔效应。足够的功率密度才能形成小孔效应。厚板激光焊接通常采用负离焦）厚板激光焊接通常采用负离焦）2023/2/6105保护气体对激光焊接的影响目的：抑制等离子体屏蔽作用、提高焊接效率焊接中常用气体及其特性，选用时要同时考虑实际效果和经济性2023/2/6106气体保护方式同轴喷嘴旁轴喷嘴2023/2/6107激光焊缝质量的主要评价指标焊缝成形质量：宏观形貌（未熔透、咬边、未填满、过烧等）、微观冶金缺陷（气孔、裂纹等）；微观组织：晶粒大小、组织形态及物相结构、合金成分、热影响区宽度及组织等；焊缝力学性能

42、：抗拉强度、弯曲强度、冲击；韧性、塑性、硬度等。2023/2/6108激光焊接接头常见缺陷除了这些成形缺陷外，除了这些成形缺陷外，除了这些成形缺陷外，除了这些成形缺陷外，最常见且影响接头力最常见且影响接头力最常见且影响接头力最常见且影响接头力学性能的缺陷主要为学性能的缺陷主要为学性能的缺陷主要为学性能的缺陷主要为气孔和裂纹！气孔和裂纹！气孔和裂纹！气孔和裂纹！2023/2/61095 激光焊接加工系统组成激光焊接加工系统组成涉及光学、机械、控制、计算机等多学科的集成，主要包括：激光器及其水冷系统数控系统光学系统焊缝跟踪及焊缝质量在线检测装置工装夹具带走激光器进行带走激光器进行带走激光器进行带走

43、激光器进行光电转换时产生光电转换时产生光电转换时产生光电转换时产生的大量热量的大量热量的大量热量的大量热量控制工件或激光控制工件或激光控制工件或激光控制工件或激光束移动束移动束移动束移动焊前确定焊接路径和焊前确定焊接路径和焊前确定焊接路径和焊前确定焊接路径和工艺参数，焊接过程工艺参数，焊接过程工艺参数，焊接过程工艺参数，焊接过程中实时调整工艺参数，中实时调整工艺参数，中实时调整工艺参数，中实时调整工艺参数，以保证焊缝质量以保证焊缝质量以保证焊缝质量以保证焊缝质量保证焊接精度、保证焊接精度、保证焊接精度、保证焊接精度、抑制焊接过程中抑制焊接过程中抑制焊接过程中抑制焊接过程中的变形的变形的变形的变

44、形2023/2/6110激光加工平台实例2023/2/6各种电池的激光焊接焊接部位2023/2/6CATLConfidential电池焊接：电阻点焊接与激光焊电池点焊机电阻焊：电阻焊：工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。激光焊：激光焊：利用激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。电池激光焊机CATLConfidential方形动力电芯成组2023/2/6宝马I3方形动力电池顶盖自动激光焊接方形动力电池顶盖自动激光焊接线线2023/2/6202

45、3/2/6115新型激光焊接技术2023/2/6116双光束激光焊接2023/2/6117双光束激光复合类型（1）激光束激光束之间复合；（2）CO2复合；（3）Nd:YAG脉冲激光脉YAG激光复合；2023/2/6118激光电场（磁场）复合焊接主要是通过外场来消除等离子屏蔽效应，以达到提高焊接熔深或焊接效率的目的。2023/2/6119激光-电弧复合焊接单纯激光焊接存在以下问题：铝合金等高反射率材料的焊接存在相当难度；焊接冶金缺陷多，接头韧性不高；装夹精度要求高。1978年，英国Steen教授首次提出复合焊接的概念，研究表明激光电弧复合焊接优点突出，应用前景广阔，是当前最具发展前景的激光先进焊

46、接技术。2023/2/6120低碳钢激光电弧复合焊接激光激光MIGMIG复合焊接：复合焊接：焊接熔深提高焊接熔深提高6060，焊接速度提高，焊接速度提高170170激光激光TIGTIG复合焊接：复合焊接：焊接熔深提高焊接熔深提高4444 激光焊接激光焊接 电弧焊接电弧焊接 复合焊接复合焊接2023/2/6121激光电弧复合焊接焊缝形貌电弧区电弧区激光区激光区复合焊接焊缝形貌特征复合焊接焊缝形貌特征2023年2月6日122激光电弧复合焊接系统TIG焊机焊机MIG焊机焊机8 8轴联动轴联动轴联动轴联动 6kW6kW（10kW10kW）光纤激光器加工平台，焊接特性更为）光纤激光器加工平台，焊接特性更

47、为）光纤激光器加工平台，焊接特性更为）光纤激光器加工平台，焊接特性更为优异，能够开展复杂结构件的优异，能够开展复杂结构件的优异，能够开展复杂结构件的优异，能够开展复杂结构件的3D3D焊接技术研究。焊接技术研究。焊接技术研究。焊接技术研究。第五章 激光清洗 2023/2/ 等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生，这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。这个阈值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值，则基底材料将被破坏。为在保证基底材料安全的前提下进行有效的清洁，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间

48、。每个激光脉冲去除一定厚度的污染层。如果污染层比较厚，则需要多个脉冲进行清洗。将表面清洗干净所需要的脉冲数量取决于表面污染程度。由两个阈值产生的一个重要结果是清洗的自控性。能量密度高于第一阈值的光脉冲将一直剔除污染物，直到达到基底材料为止。然而，因为其能量密度低于基底材料的破坏阈值，所以基底不会受到破坏2023/2/ 3种方法。第4种方法仅见于石质文物的清洗中。CompanyLogo激光清洗的优点21激光清洗是一种”绿色”的清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液，清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可回收，可以轻易解决化学清洗带来的环境污染问题；22传统的清洗方法往往是接触式清

49、洗，对清洗物体表面有机械作用力，损伤物体的表面或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面，无法去除，产生二次污染，激光清洗的无研磨和非接触性使这些问题迎刃而解；23激光可以通过光纤传输，与机器手和机器人相配合，方便地实现远距离操作，能清洗传统方法不易达到的部位，这在一些危险的场所使用可以确保人员的安全；24激光清洗能够清除各种材料表面的各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。而且还可以在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物；25激光清洗效率高，节省时间；26购买激光清洗系统虽然前期一次性投入较高，但清洗系统可以长期稳定使用，运行成本低，以Quantel公司的LASERLASTE为例，每小时的运行费用仅为1欧元左右，更重要的是可以方便地实现自动化操作。 电路板清洗无光化学反应 各种物品表面清洗2023/2/62023/2/62023/2/6136谢谢！