激光焊接基础李俐群哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室你应该知道：1. 激光可以进行哪些加工？ 2. 常用的工业激光器有哪些？各有什么样的加工特点？ 3. 激光深熔焊的主要物理特征是什么？ 4. 激光焊接的主要问题是什么？激光加工技术在工业中 的应用工业激光加工技术焊接切割成形快速成形熔覆修复 表面硬化 打标激光加工技术应用概述各种加工方法的适用范围为什么要采用激光为什么要采用激光自动化程度高为什么要采用激光高度的灵活性为什么要采用激光高精度为什么要采用激光生产率高为什么要采用激光革新传统加工方式为什么要采用激光革新传统加工方式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：PRC PRAMA 德国：TRUMPF （HAAS） ROFIN-SINAR IPG 英国：LUMONICS 中国：大族、楚天世界激光加工技术的发展现状各种加工方法的应用比例打孔 其它 9% 雕刻 3% 12% 微处理 14% 打标 24%切割 24%焊接 14%激光在汽车加工中的应用激光束的基本物理特性光束的模式通常把光波场的空间分布分解为沿传播方向的分 布和垂直于传播方向的横截面内的分布，分别称为纵 模和横模。
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。
光束的模式气体激光束的模式CO2激光通常用TEMmn 表示横模的光场分布，TEM 是横电磁波“Transverse Electromagnetic Wave”的缩 写，m、n为正整数。
横模可 以是轴对称的，也可以是对 光轴旋转对称的。
气体激光的光能横向分布光束的模式光强气体激光束的模式不论是轴对称还是旋转对称， 其 TEM00模是一致的，称为基模。
一束沿方向传播的基模光束的光 强可表示为：光斑半径⎡ 2( x 2 + y 2 ) ⎤ 2P exp ⎢ − I ( x, y , z ) = 2 πω ( z ) ω 2 ( z) ⎥ ⎣ ⎦TEM00光束的模式气体激光束的模式TEM01TEM00光束的模式气体激光束的模式光束的模式固体激光束的模式YAG等固体激光器，其光能的空间分布则远为复杂，不能用简单 的数学公式描述。
因为固体激光棒不可避免地存在很多缺陷，折射率不均匀，在光泵 作用下受热而产生光程变化和双折射等。
固体激光的光能横向分布光束质量评定(1) 光束传播系数K、光束衍射极限倍数M，定义如下：1 λ 1 K= 2 = ⋅ M π w0 ⋅ Θ0通常K值范围：0.1～1， M2范围：1～10 K或M2为1， 光束质量实际达到衍射极限。
(2)光束参数积(BPP-Beam Parameter Product)决定激光加工适用范围光束半径BPP=wo ⋅ Θ0 =λK ⋅π=M ⋅λ2ϖ ( z)激光束腰πϖ0θ∞远场发散角 光轴z0光束质量评定光束参数积与激光功率决定加工范围光束的聚焦特性瑞利长度Θ0Θ0焦点附近，光束横截 面积为焦点处2倍的两个 光束横截面之间的距离称 为瑞利长度或焦深。
瑞利长度对焊接质量、 焊接过程稳定性有重要影 响。
2激光束的反射、透射聚焦工业激光器特点与应用激光产生的基本原理工作物质 → 激励、受激辐射 → 自激振荡增益 ↑ 外界能量注入（泵浦） ↑ 光学谐振腔工业激光器种类打标、焊接、切割 波长10.6um打标、焊接、切割 波长1.06um钎焊、焊接、表面处理 波长 0.7-0.9um光纤激光器焊接，切割 波长 1.07um工业激光器种类主要的固体激光器工业激光器种类不同激光器的光束质量比较工业激光器种类不同激光器的性能比较激光器类型功率(W) 波长(µm) 光束质量(mm. mrad) 光斑直径(mm) 光束模式 光电转换效率 传输光路 铝合金反射率 激励原理光纤激光器50,000 1.07 2 0.15 多模 25~30% 光纤 小盘式YAG激 光器10,000 1.06 8 0.15 多模 25~30% 光纤 小棒式YAG激 光器8,000 1.06 12 0.45 多模 3% 光纤 小CO2激光器50,000 10.6 3.75 0.16 单模 7% 飞行光路 大国防科技工业焊接自动化技术研究应用中心激光器的应用特点CO2激光器波长10.6um, 反射镜传输，光束质量高，功率大。
激光器的应用特点CO2激光器的应用激光涂覆切割工具表面涂覆 CrN, TiN, TiCN, 提高 抗磨损性能。
激光焊接CO2激光焊接三维激光切割激光器的应用特点CO2激光器的应用功率：2kW 焦距：150mm 材料：齿轮钢 深度：2.5mm 速度：3.5m/min功率：1.3kW 焦距：150mm 材料：齿轮钢 深度：1.5mm 速度：5.5m/min功率：2kW 焦距：150mm 材料：不锈钢 深度：1.5mm 速度：7m/min功率：3.5kW 焦距：200mm 材料：不锈钢 深度：1.1mm 速度：8m/min激光焊接汽车组合齿轮激光焊接不锈钢传感器激光器的应用特点CO2激光器的应用切割多层针织材料波长通常在10um左右，因此采用 CO2激光器，激光能量、脉冲频率、 气流速度角度、切割速度等都有较 大影响。
激光器的应用特点CO2激光器的应用精密切割石英玻璃无裂纹产生、切口光滑、无需后处理。
激光器的应用特点CO2激光器的应用激光涂覆过程在线检测 激光涂覆修复航空发动机Ti6Al4V叶片，无气孔、裂 纹，无氧化，变形小 不锈钢涂覆过程温度传感 器实时检测热辐射温度。
激光熔覆制作铝零件AlSi25和AlSi10Mg, 无裂 纹。
激光器的应用特点YAG激光器的应用波长1.06um, 光纤传输，灵活性大，发展快， 尤其适合焊接高反射率材料。
分为棒式、盘式两种；盘式激光器的光束质量 更好。
激光器的应用特点YAG激光器的应用6-轴机器人YAG激光焊接汽车顶棚（VOLVO）激光器的应用特点YAG激光器的应用YAG激光焊接铜－铝铝0.4mm，铜1mm，激光功率2kW，铝 铜焊缝容易出现脆化的晶间相，产生裂纹， 适当改进焊接工艺，可以避免裂纹的产生。
最大焊速12m/min,焊缝宽度>100um。
激光器的应用特点扫描式焊接激光器的应用特点扫描式焊接棒式YAG激光盘式YAG激光激光器的应用特点光纤激光器的应用波长1.07um, 光纤传输，灵活性大，光束质量非常 好，尤其适合焊接高反射率材料、大厚板。
激光器的应用特点盘式激光与光纤激光的比较盘式 激光光纤 激光激光器的应用特点CO2激光、电子束、光纤激光的比较激光器的应用特点半导体激光器的应用波长860~900nm左右, 光纤传输， 体积小，光斑形状多 样，光速质量不高。
激光器的应用特点与常规激光器增加能量方法的不同之处激光器的应用特点激光器的应用特点半导体激光器的应用IR DiodeHousingLid with push buttonsOil TankTank LidWelding of an electronic keyDiode Power Welding speed Focal diameter 20 - 60 W 3 - 10 m/min 1 mmWelding of an oil tank (GFK)Diode power Welding speed Focal diameter ca. 60 W 1 - 2 m/min 2 mm激光器的应用特点半导体激光器的应用高功率半导体激光热导焊、深熔焊最大完成6mm厚不锈钢板的焊接，焊接特点：焊接过程有很强的蒸汽 等离子体；焊缝组织垂直于中心线结晶；焊接过程实际上是基于热导 焊过程。
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