（机械制造及其自动化专业论文）激光焊接用1500wco_2激光器的研制及其应用研究.pdf

摘要 随着激光材料加工技术在我国的迅速推广，我国每年至少需要新增数百套激 光加工系统。激光焊接对激光器的输出光束模式以及功率稳定性有很高的要求。 国内生产的绝大部分产品无法满足用户的要求。1 5 0 0 wc c h 激光器的市场需求量 是最大的。本文研制了一种激光焊接用折叠式准封离型连续c 0 2 激光器，该激光 器采用工频直流激励。在设计过程中，通过对谐振腔内气体类透镜效应和模体积 与激发体积相匹配问题的研究，设计了一种具有较大激发能量和良好横模选择能 力的十六折谐振腔。多折谐振腔的总长为四十米。通过特殊的结构设计，使其具 有机械和热稳定性。对输出窗口的热透镜效应进行了理论分析，并对其进行了部 分补偿。激光器的研制工作取得了初步成果。目前，该激光器的主要技术参数如 下所述：最大输出功率为l l o o w ；输出光束模式为t e i i l 0 + t e m 。；光束发散角( 半 角) 为l m r a d 。利用该激光器分别对3 c r l 3 不锈钢、金刚石薄壁钻和a 卜f e v s i 耐热铝合金进行了激光焊接的试验研究。试验结果表明，3 c r l 3 不锈钢的最大焊 接深度为1 5 3 m m 。用本激光器对金刚石薄壁钻进行焊接，可以将其完全焊透，抗 弯强度为1 5 0 0n m m 2 。激光焊接的a 卜f e v s i 耐热铝合金，焊接区域存在粗大 的枝晶组织和焊接气孔。本文对这些缺陷的成因机理进行了分析，并提出了改进 焊接质量的方法。 关键词 c 0 2 激光器谐振腔激光焊接 不锈钢3 c r l 3 金刚石薄壁钻 舢f e v - s i 铝合金 a b s t r a c t l a s e rw e l d i n gi sa ni m p o r t a n ti n d u s t r i a lt e c h n o l o g y t h ec 0 2l a s e rr e m a i n st h e w o r k h o r s eo fi n d u s t r i a lw e l d i n gs y s t e m sb e c a u s ei ti ss i m p l ea n dr e l i a b l e af o l d e d q u a s is e a l e d - o f fc o n t i n u o u sc 0 2l a s e ru n i tu s e df o rl a s e rw e l d i n gi sd e s i g n e di nt h i s p a p e r , w h i c hi sd i s c h a r g e dw i t hd i r e c tc u r r e n t i nd e s i g n i n gt h el a s e ru n i t ，t h et h e r m a l l e n s i n ge f f e c to fc 0 2 l a s e rp l a s m ai st a k e ni n t oa c c o u n t as i x t e e n f o l d e dr e s o n a t o rt h a t h a st h eg o o dt r a n s v e r s em o d es e l e c t i o na b i l i t ya n dt h el a r g e s tb e a me n e r g yi s d e v e l o p e d t h et o t a ll e n 出ho ft h em u l t i - f o l d e dr e s o n a t o ri s4 0 m d u e t ot h es p e c i a l s t r u c t u r ed c s i g na n dt h eu t i l i z i n go ft h el o wt h e r m a le x p a n s i o nm a t e r i a l s ，t h ef o l d e d r e s o n a t o ro ft h eu n i ti ss t a b l eb o t hm e c h a n i c a l l ya n dt h e r m a l l y t h ee f f e c to ft h e r m a l l e n se f f e c ti sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h em a i ns p e c i f i c a t i o n so ft h i sl a s e ru n i ti s d e p i c t e d a sf o l l o w s ：m a x i m u m o u t p u tp o w e r i s l l o o w ；o u t p u t m o d ei s t e m 0 0 + t e m 0 x ；b e a md i v e r g e n c e ( h a l fa n g l e ) i sl m r a d 1a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n t so f 3 c r l 3s t a i n l e s ss t e e l 、d i a m o n dc o r ed r i l la n da l - f e - v - s ia l u m i n u ma l l o ya r ec a r r i e d o u tw i t ht h el a s e ru n i t l a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l to f3 c r l 3s t a i n l e s si n d i c a t e s t h em a x i m u mw e l d i n gd e p t hi s1 5 3 m m d i a m o n dc o r ed r i l lc a nb el a s e rw e l d e dw i t h f u l lp e n e t r a t i o na n dt h eb o n d i n gs t r e n g t hi s1 5 0 0n m m 2 d e n d r i t em o r p h o t o g ya n d p o r o s i t yf o r m e di nt h ew e l d so fa i - f e v - s ia l u m i n u ma l l o y t h em e c h a n i s m so ft h e d e f e c t sf o r m i n ga r ed i s c u s s e da n dt h ei m p r o v i n gm e a s u r e m e n t so fq u a l i t yo fl a s e r b e a mw e l d i n g a l - f e - v - s ia l u m i n u ma l l o ya r ep o i n t e do u t k e y w o r d sc 0 2l a s e r u n i tr e s o n a t o rl a s e rw e l d i n gs t a i n l e s ss t e e l3 c r l 3 d i a m o n dc o r ed r i l la 1 一f e - v - s ia l u m i n u ma l l o y l i 摘要 摘要：本文研制了一种激光焊接用折叠式准封离型连续c 0 2 激光器，该激光器采用工频直 流激励。在设计过程中，通过对谐振腔内气体类透镜效应和模体积与激发体积相匹配问题的 研究，设计了一种具有较大激发能量和良好横模选择能力的十六折谐振腔。多折谐振腔的总 长为四十米。通过特殊的结构设计，使其具有机械和热稳定性。对输出窗口的热透镜效应进 行了理论分析，并对其进行了部分补偿。激光器的研制工作取得了初步成果。目前，该激光 器的主要技术参数如下所述：最大输出功率为l l o o w ：输出光束模式为t e m t 日：光束发 散角( 半角) 为l m r a d 。利用该激光器分别对3 c r l 3 不锈钢、金刚石薄壁钻和a 卜f e v s i 耐 热铝台金进行了激光焊接的试验研究。试验结果表明，3 c r l 3 不锈钢的最大焊接深度为 1 5 3 r a m 。用本激光器对金刚石薄壁钻进行焊接，可以将其完全焊透，抗弯强度为1 5 0 0n m m 2 。 激光焊接的a 卜f e - v s i 耐热铝合金，焊接区域存在粗大的枝品组织和焊接气孔。本文对这些 缺陷的成因机理进行了分析，并提出了改进焊接质量的方法。 关键词c 0 2 激光器 谐振腔激光焊接不锈钢 3 c r l 3 金刚石薄壁钻a l f e v - s i 铝合金 第一章弓瞎 介绍了工业用高功率c 0 2 激光器的发展现状。综合分析了激光焊接的机理、 特点并介绍激光焊接在国、内外的应用情况。阐述了本文的研究内容和意义。 第二章激光器谐振腔的结构设计 本激光器为折叠式准封离型，放电管由油冷石英管构成，谐振腔为1 6 重 折叠，总长4 0 米。管群的两端被微膨胀合金管连接为一个刚性桁架，再通过可 伸缩支承用弹簧将此桁架吊装在机壳上，所有谐振腔镜均直接或者经由微调装置 贴在石英管端。激光器的抗震性能好，可以进行整体运输。本激光器的输出光束 为线偏振光。在谐振腔中，附加了一面起偏镜。起偏镜与水平面和垂直水平面的 夹角都为4 5 。，使输出线偏振光直接满足圆偏振镜将线偏振光转换为圆偏振光的 条件，因此外光路只需一面圆偏振镜即可。为了消除过渡接头的在真空状态下的 变形对谐振腔稳定性的不利影响，谐振腔安装了调整装置，使谐振腔变为活动腔。 特殊的调整装置与调整方法，使谐振腔的调整误差在允许范围内。实验证明，活 动腔稳定可靠。本激光器谐振腔的结构特点，使得高阶模和基模的损耗存在很大 差异，有利于激光器输出t e m 0 0 模或t e m 。+ t e m o 。的低阶模。 第三章激光器谐振腔的参数设计 在谐振腔的参数设计过程中，考虑了气体类透镜效应的影响。理论计算表明 谐振腔采用双镜腔和三镜腔都不能获得最佳的输出功率和输出光束模式。本激光 器谐振腔的腔型为多镜腔，谐振腔被分成相同的八段，各段之间相互耦合，有效 地利用了放电管中增益较强的部分，使每段放电管内模体积与放电体积形成很好 的匹配。本激光器的最佳工作气压为1 0 5 托。由于碰撞线宽与多普勒线宽是可 以比拟的，因此本激光器最佳透射率按照综合加宽进行计算。通过理论计算得到 输出窗口的最佳透射率为6 5 。输出窗口镜的热透镜效应会改变光束的传输性能 和聚焦性能，从而影响加工质量。为了消除输出窗口镜的热透镜效应对激光加工 的不利影响，必须对输出窗口镜的热透镜效应进行部分补偿。采用数值计算的方 法对输出窗口的热透镜效应进行了定量分析，算出了等效热焦距。数值计算和实 验结果表明：将输出窗口镜的外表面磨成曲率半径为5 0 米的凹面，可以使输出 光束获得最佳的聚焦效果，焊接质量得到明显提高。 第四章激光焊接的试验研究 利用研制的激光器分别对3 c r l 3 不锈钢、金刚石薄壁钻和a 卜f e v s i 耐热 铝合金进行了激光焊接的试验研究。用本激光器焊接的3 3 c r l 3 不锈钢，焊缝组织 得到显著细化，焊缝中心为等轴晶。焊缝处末出现裂纹、气孔等缺陷。用该工艺 可以进行3 m m 厚游标卡尺的拼焊生产。焊接变形小，焊后磨削余量仅为0 1 m 。 用本激光器焊接的金刚石薄壁钻的平均抗弯强度为1 5 0 0 n m m 2 ，比钎焊值 ( 3 5 0 6 0 0 n n m a 2 ) 高几倍。试验证明其强度能满足旅工要求。a i - f e - v - s i 耐热铝合 金表面涂黑后实现激光深熔焊接的临界功率密度为2 1 x 1 0 6 w c m 2 。连续激光焊接 过程中，合金元素易析出形成粗大的枝晶组织。焊缝和热影响区中还存在气孔。 这些缺陷使焊接强度大大低于母材，只有1 2 0 m p a 。用脉冲激光进行点焊试验，焊 点的抗剪强度可以达到母材的8 0 。 第五章全文总结( 略) 致谢( 略) 参考文献( 略) a ， t g p r 。 反韧致辐射吸收系数 等离子体的角频率，h z 材料对平行于入射面的 偏振光的反射率 放电管内圆半径，m m 球面镜曲率半径，m m 谐振腔腔长，m 激光束的束腰半径，m m 激光功率密度，w c m 2 放电管长度，m m 反射镜对功率的损耗系数 焦距，m m 增益系数，w m 透射率 激光束的有效截面积，c m 2 反刺率 导热系数，w c m k “ 折射率的温度变化率，k 。 极坐标中的径向坐标 材料的初始温度，。c 激光作用时间，s 气体常数 符号表 v 粒子间的碰撞频率，h z v 。多普勒线宽，h z r 。 材料对垂直于入射面的 偏振光的反射率 w 。球面镜上光斑半径，m m z 激光波长，m 口。最大允许偏转角度，r a d 口 光束发散角，m r a d 菲涅耳数 l 管壁温度，。c d 。气体的吸收系数和衍射 损耗系数之和 ，。饱和光强，w c m 。 室温下窗口镜的折射率 p ，相对输出功率 p 材料密度，k g m 。 行折射率 k 热膨胀系数，k 1 r ，材料的蒸发温度，”c k 聚焦光斑半径，m m c 氛的平衡溶解度，m l g p 。大气压力，a r m 口 r 三 玑， 西，g s b 厶 ， r 瓦 ，凡 第一章引言 1 1 工业用高功率0 0 2 激光器的发展现状 现代用于激光加工的激光器主要有二氧化碳激光器和掺钕钇铝石榴石激光 器两种。c 0 2 激光器是目前工业应用中数量最大、应用最广泛的一种激光器“1 。 据报道，1 9 9 0 年，国际商用激光加工系统的产值中，c 0 2 激光加工系统约占三分 之二，y a g 激光加工系统约占三分之一。后者主要是用于电子工业等领域的微细 加工，前者则主要用于机械制造领域的激光加工。高功率c 0 2 激光器根据其结构 可以分为三种，即横流式、轴快流式和封离式。 横流式c 0 2 激光器的输出光束、放电方向以及放电区内气流的方向三者之间 互相垂直。1 。横流式c 0 2 激光器的主要特点是输出功率大。现在最大连续输出功 率已经达到几十千瓦。我国对横流c 0 2 激光器的研究起步较早。由7 0 年代开始， 中科院力学所和北京机电院、上海光机所、华中理工大学等单位均先后研制成功 了千瓦级横流高功率c 0 2 激光器，并在8 0 年代初先后通过样机鉴定。在此基础上， 1 9 8 3 年由原国家科委高新技术司提出了“六五”科技攻关项目：“激光热处理成 套设备的研制”，将2 k w 、5 k w 横流c # 2 激光器、激光热处理工艺、激光功率计等 纳入了国家科技攻关计划。在“六五”完成的基础上又提出了i o k w 横流c 0 2 激 光器及几条激光热处理生产线的“七五”科技攻关计划。到8 0 年代末期，上海 雷鸥激光公司、华工激光公司先后成立并开始生产1 5 k w 的横流c 0 2 激光器，大 恒公司开始生产激光热处理成套设备。1 。这些工作为我国上世纪9 0 年代的激光材 料加工的发展奠定了坚实的基础。横流c 0 2 激光器的缺点是光束质量较差。在垂 直光轴的截面内，沿气流方向温度逐渐升高，受激粒子被吹向下游，沿电场方向 存在着不同的放电区，因而工作气体的温度和反转粒子数分布不均匀，其增益和 折射率不均匀，对于光轴没有对称性，输出激光模式一般为高阶模或环形光束。 国产高功率c 0 2 激光器主要为横流型，因此，国产高功率c 0 2 激光器主要用于激光 热处理和激光熔覆。 从8 0 年代开始，美国、德国、日本等国的激光公司研制出新型的轴向快速 流动c 0 2 激光器。3 。此种激光器因工作气体高速沿放电管轴向流动循环冷却而得 名。快速轴流激光器模体积和激发介质体积匹配良好，电光转换效率高，单位放 电长度的输出功率达5 0 0 6 0 0 w m 。与慢速流动型c 0 2 激光器相比，单位放电长 度的输出功率增加了8 倍，从而大大缩小了器件的体积，性能明显得到提高。轴 快流型激光器作为工业用的装置有许多优点。例如，效率高，输出功率稳定，能 获得很好的光束质量等。轴快流c 0 2 激光器受到工业界的欢迎，其中还有一个重 要原因是，它有增强脉冲输出功能，这对于高质量的激光切割、焊接等金属加工 是非常重要的。因此，作为金属加工，特别是金属切割，5 0 0 w 2 0 k w 的轴快流 c 0 2 激光器，迅速得到普及。轴快流c 0 2 激光器也存在一些问题。与横流c 0 2 激光 器不同，轴快流c 0 2 激光器的气体流动方向与放电方向同轴，因而对压气机的压 头要求较高，通常采用罗茨泵和涡轮泵。所以，轴快流c 0 2 激光器存在着风机油 污染，直流激励时还存在电极污染。这使得谐振腔内的器件需要定期清洗甚至更 换，增加了维护成本。另外，其工作过程中需要连续更换气体，运行费用高。目 前，世界上有1 0 余家公司生产此种激光器。走在前面的有德国的r o f i n s i n a r 公司和s t r u m p f 公司，以及日本的f r a n c 公司。美国的光谱物理公司和p r c 公司、 加拿大的l u m o n i c s 公司、英国的f e r r a n i 公司都相继发展了轴快流c 0 2 激光器。 我国华中理工大学激光技术国家重点实验室、长春光机所和南京电子管厂在8 0 年代也相继开展了5 0 0 1 5 0 0 w 轴快流c 0 2 激光器的研制工作”。由于技术难度大， 国产器件久攻不下，国内研制的产品直至现在尚未转化为商品。 同横流型和轴快流c 0 2 激光器相比，封离型c 0 2 激光器没有运动环节，结构简 单，运行和维护费用低“。工频直流激励封离型c 0 2 激光器工作时产生的废能是 通过热传导扩散到放电管管壁，然后由水冷套中的冷却水带走。由于放电管内的 气体温升是有限度的，因此单位长度放电管的输出功率不高。长沙凤凰激光设备 有限公司采用这种技术研制的p h c - 1 0 0 0 型c 0 2 激光器采用1 0 折谐振腔，最大输 出功率为1 0 0 0 w ，使国产封离型c 0 2 激光器迈入了高功率c 0 2 激光器的行列。国外 目前又采用射频激励放电技术开发了新型的封离型c ( h 激光器，即扩散冷却c 如 激光器。扩散冷却c 0 2 激光器又可分为板条式和同轴式“”。这种激光器的显著特 点之一是体积小。例如，c o h e r e n t 公司生产的k - 5 0 0 型板条式c 0 2 激光器体积仅 为2 8 0 2 4 0 1 2 0 0m n l 。另外，此种激光器的光束质量好( 广为l _ 1 1 5 ) ，运 行无噪声，光电转换效率高，因而获得越来越广泛的应用，并且有取代轴快流激 光器的趋势。对于此种激光器，国内暂时没有突破性的进展啪1 ，而且其昂贵的价 格是国内的普通企业无法接受的。 随着高功率c 0 2 激光器的不断发展，人们对激光焊接的机理研究不断深入， 激光焊接的应用领域也日趋广泛。 2 1 2 激光焊接的机理 按照激光器输出能量方式的不同，激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊 接( 包括高频脉冲连续激光焊接) ；按照激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激 光焊接可以分为传导焊和深熔焊( 小孔焊) 。 采用的激光光斑功率密度小于1 0 唧c 秆时，激光将金属表面加热到熔点与沸 点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能量转变为热能，使金属表面温 度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大， 凝固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形。这种焊接机理称为传导焊， 它类似于t i g 焊等钨极电弧焊过程。传导焊的主要特点是激光光斑的功率密度小， 很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅焊接速度慢，主 要用于薄( 厚度 i m m ) 、小零件的焊接加工。 当激光光斑上的功率密度足够大时( 1 0 6 w c m 2 ) ，金属在激光的照射下被迅 速加热，其表面温度在极短的时间内( 1 0 4 1 0 “s ) 升高到沸点，使金属熔化和 汽化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的逸 出对熔化的金属产生一个附加压力( 例如对于铝，p 一1 1 m p a ；对于钢，p 一5 m p a ) ， 使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继 续加热汽化时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加 深，另一方面，向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程连续进 行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸汽的 反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深 度稳定的孑l 而进行焊接，因此称之为深熔焊。“。 在激光深熔焊接过程中，小孔的形成对激光与材料间的能量耦合机制影响很 大。小孔吸收的机制主要是通过小孔孔壁的反射吸收和等离子体对激光的反韧致 辐射吸收来实现的。 当小孔形成之后，激光直接入射到小孔内部，并在小孔孑l 壁上发生多次反射， 每次反射都有部分激光能量被小孔孔壁所吸收，如此经过孔壁的多次反射吸收而 使工件材料对激光的吸收大大增加。这个过程叫f r e s n e l 吸收。设功率密度为l 的激光束入射n ? l 壁，此时的入射角为口，反射率为r ( o ) ，反射吸收的功率密度 为，则有： i i o ( 1 一r p ) ) ( 1 1 ) 对于圆偏振光而言，每次反射时的反射率可用如下的f r e s e l 公式来计算： ；圭c 描+ 舞纛筹舞，z ， 舯 如习矗赫s 1 + f f + t 仃”仞呵o j 。j 式中， f 。真空介电常数( 8 8 5 4 1 0 1 2 f m 1 ) 材料介电常数 s ，等离子体介电常数 仃激光角频率( 玎堡) 口。金属的导电率 孔壁上任意一点吸收的激光能量等于该点对直接入射光吸收能量与多次反射光 反射吸收的能量之和。在小孔的上部，激光功率密度的分布主要由小孔孔壁的直 接反射吸收所决定，因而其变化趋势很陡；而在小孔的下部，由于受小孔孔壁的 多次反射的影响，激光功率密度的变化平缓。 当激光的功率密度达到一定的阈值( 对钢铁材料而言，约为l 1 0 6 w c m 2 ) ， 小孔内的材料蒸汽或周围气体在激光作用下发生电离，从而形成光致等离子体。 对于大多数金属材料而言，由于其电离能比较低( 低于保护气体的电离能) ，金 属蒸汽较周围气体易于电离，所以常形成金属蒸汽等离子体。但在激光功率密度 很高而周围气体又流动不畅时，也可能形成气体等离子体。光致等离子体不仅存 在于小孔表面之上而且也充满小孔内阻2 1 。 由于等离子体的反韧致辐射吸收会导致激光在穿越等离子体时强度发生衰 减。其强度变化规律可以用b e e r - l a m b e r t 定律来描述。假设入射激光的功率密 度为，在穿越等离子体距离z 后，激光的功率密度为，那么l 与，之间有如 下关系： i ，= l b “9 2 ( 1 3 ) 式中，口。为等离子体对激光的反韧致辐射吸收系数。小孔内的等离子体将吸收的 激光能量通过对流和辐射传给孔壁。若通过反韧致辐射吸收的激光功率密度用，。 表示，则有： i 。= i 抽一i ，= i i ( 1 一e “，) ( 1 4 ) 4 从上式可以看出，通过等离子体反韧致辐射吸收的功率密度的大小主要取决于入 射到等离子体上的激光功率密度和等离子体对激光反韧致辐射吸收系数口。，以及 激光穿越等离子体的距离z 。吸收系数a 。由下式决定： 口，一而v 0 4 p 2 ( 1 5 ) 式中， v ，粒子间的碰撞频率 n 。等离子体的角频率 1 3 激光焊接的特点 激光焊接与其他传统焊接工艺相比，有着许多优点。其主要的优势之一就是 能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源，在焊接过程 中，该集中热源快速扫过焊接件的焊缝，能获得很大的深宽比( 见表1 1 ) 。在这 方面，激光焊接可以与电子束焊接相比拟，但激光焊接却有着优于电子束焊接的 特点，即激光焊接可在大气压下进行，而无需真空室。通过视窗、透镜及光纤， 可以实现远程位置与多工作台的激光焊接，而且，激光焊接还可以在焊条和电子 束无法达到的三维构件内部细微区域中实施。与电子束焊接类似，激光焊接可以 实现单面焊接双面成形，复层结构也可以采用单面激光焊接，所以，对于那些用 其他方法需要从双面焊接的接头，如果采用激光焊接工艺，则可以从单面施焊。 这种灵活性开辟了接头设计的许多新思想，特别是针对某些包含不可接触表面的 构件。 表1 1 不同焊接工艺技术焊缝表面输入功率密度范围与焊缝深宽比的对比 焊接工艺功率密度( w c m - 2 )焊缝深宽比 激光焊接 1 0 6 1 0 7 大 电子束焊接 1 0 6 1 0 7大 钨极氩弧焊 1 0 2 l0 4 小或中等 熔化级气体保护焊 1 0 2 1 0 4 小或中等 电阻焊小 尽管激光器的能量转换效率很低，而且激光焊接系统的成本通常高于传统的 焊接设备，但是激光焊接的比能比电弧焊差不多小一个数量级( 见表1 2 ) ，加上 激光焊接具有很高的生产率和焊缝质量，足以弥补这些缺陷，并使得激光焊接系 5 统在技术经济上具有很强的综合竞争能力。对于毫米级厚度的板材结构，在c n c 控制下，当焊接速度超过l o m m i n 时，可获得高质量、均匀的激光焊缝。与电弧 焊接技术相比，激光焊接接头具有相当狭窄的热影响区，从而限制了热变形，提 高了焊缝的综合冶金性能。激光焊接的窄影响区及其大熔深增强了接头的机械性 能( 包括疲劳强度和成形性能等) 。对于难焊材料( 如铝、镁合金等) 的连接， 激光焊接也提供了新的可能性，而且在大多数情况下不需要填充材料。激光焊接 消除了焊条及电极材料产生的污染，并有效降低有益合金元素( 如锌、锆、钒等) 的损耗。对于一些传统技术很难或无法焊接的合金系列，采用激光焊接可以使焊 接过程稳定，焊缝强度提高并具有优异的成形。c 0 2 激光焊接对焊缝还有净化作 用”，即使焊缝中的有害杂质减少。产生净化的原因是：有害元素在金属中可以 以两种形式存在夹杂物或直接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存 在时，在激光焊接过程中将产生下列作用：对于1 0 6 um 的c 0 2 激光，非金属的 吸收率远远大于金属，当非金属和金属同时受到激光照射时，非金属将吸收较多 的激光使其温度迅速上升而汽化。当这些元素固溶在金属基体时，由于这些元素 的沸点低，蒸汽压高，它们会从熔池中蒸发出来。上述两种作用的总效果是焊缝 中的有害元素减少，这对金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大的好处。当然， 激光焊接净化效应产生的前提必须是对焊接区加以有效地保护，使之不受大气等 的污染。 表1 2 各种焊接方法的比能 l 焊接方法氧炔焰氩弧焊埋弧焊电子束激光束 i 比能j i i m - 2 2 0 0 0 5 0 0 05 0 0 1 2 0 01 0 0 2 5 03 0 5 04 0 7 0 激光焊接的另一主要优势就是能够通过调节激光与材料的相互作用来优化 焊接接头的综合性能，在当代先进的激光焊接系统中，这种优化主要是通过激光 功率的计算机控制来实现的。“。在激光焊接过程中，与焊接质量有关的信号很多， 主要表现为光、声信号。其中光辐射信号有：被焊接件反射或在穿透焊情况下透 过小孔的激光辐射；焊接件上方或在穿透情况下焊接件下方等离子体发出的从紫 外到红外的光辐射：熔池或焊根的热辐射等。声辐射信号主要有两种：一是结构 中产生的声发射信号，它是由激光焊接过程中焊接件上及其他结构中热应力的释 放而产生的。二是可听声信号。进行深熔激光焊接时，会听见一种可听见的声音。 一般认为这种声信号是由等离子体从小孔中喷射出来时造成的压力波形成的。这 种声信号除了与等离子体有关外，还与小孔及熔池的行为密不可分，故能反映焊 接质量的变化。通过由光、声或等离子体监测系统发回的反馈，可以实时变化激 6 光功率以适应焊接条件的改变。激光焊接在线监控技术的应用，能保证在工业生 产条件下，优化焊接过程，而无需操作者干预。 激光焊接的不足之处包括激光器及用于激光束传导和聚焦的附属系统成本 过高，操作成本也很高，特别是需要大量消耗昂贵保护气体( 如氦气等) 的应用 场合。激光束的精密聚焦、热量向工件的有效传递以及狭小的热影响区等优点， 也带来了接头装配的难题，很小的组装偏差就会导致焊接条件较大的变化，甚至 很窄的间隙( o 1 m m ) 也能引起激光辐射耦合的缺陷和热效率的降低。高反射 材料( 如铝、铜等) 的激光焊接，如要减少反射，则需要仔细优化激光辐射的条 件，必要时还需要采用涂层材料。同时，这些金属的热传导率较大，在焊接启动 时应使用较高的激光能量密度，这有时会导致激光反射回激光器，从而引起光学 元件的损坏。构件在焊接过程中的装配偏差也有可能引起激光束具有危险性的反 射。 激光焊接与其它主要焊接方法优缺点的对比总结于表1 3 。 表1 3 激光焊接与其它焊接工艺的对比 注：“+ ”表示优势；“一”表示劣势；“0 ”表示适中。 1 4激光焊接的应用 2 0 世纪7 0 年代，大功率c 0 2 激光器的出现，开辟了激光应用于焊接及工业 领域的新纪元。激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到了日益广 泛的应用“1 。实践证明，采用激光焊接，不仅生产效率高于传统的焊接方法，而 且焊接质量也得到了显著的提高。 ( 1 ) 汽车制造业c o z 激光焊接在汽车制造业中的应用最为广泛。据专家预测， 汽车零件中5 0 以上可以采用激光加工，其中激光切割和激光焊接是最主要的激 光加工方法。世界三大主要汽车产地中，北美和欧洲以激光焊接占主要地位，而 日本则以激光切割为主。由于激光焊接属于无接触加工，柔性好，又可在大气中 直接进行，故可以在生产线上对不同形状的零件进行焊接，有利于车型的改进及 新产品的设计，因此，发达国家的汽车制造业，越来越多地采用激光焊接技术来 制造汽车底盘、车身板、底板、点火器、热交换器及一些通用部件。 以前采用电子束焊接的拼焊板( t a i l o rb l a n k ) ，现在正逐步被激光焊接所取 代。用激光焊接拼焊技术制造用来冲压成形的板料毛坯，可以减少冲模套数、焊 接设备和夹具，还可以提高部件精度，减少焊缝数量，降低产品成本，减轻车身 质量，减少零件个数。如卡迪拉克某型轿车车身倾 j f 3 板，由不同厚度的五块拼焊 板采用激光焊接拼接后进行冲压成形。这种生产工艺与传统的加工工艺相比，不 需要加强筋，零件的强度和刚度得到了优化设计，而且充分利用了材料，可以将 材料的废损率降低到1 0 以下。德国奥迪( a u d i ) 公司用激光拼接宽幅 ( 1 9 5 0 n , n 2 2 5 0 m m x0 7 m m ) 镀锌板，作为车身板。与传统焊接方法相比，焊缝及 热影响区窄，锌烧损少，不损伤接头的耐蚀性。目前，国内仅有一汽大众c 3 v 6 型轿车底板使用激光拼焊板，但全部由国外进口。 美国福特汽车公司采用6 k w 激光加工系统，将一些冲压的板材拼接成汽车底 盘，整个系统由计算机控制，该系统具有五个自由度的运动，特别适用于新型汽 车的研制。美国福特汽车公司还采用了带有视觉系统的激光焊接机，将6 根轴与 锻压出来的齿轮焊接在一起，成为轿车自动变速箱齿轮架部件，生产速度为2 0 0 件4 , 时。 意大利菲亚特( f i a t ) 公司采用激光焊焊接汽车同步齿轮，生产费用只比老设 备高一倍，而生产效率却提高了5 7 倍。日本汽车电器厂用2 台1 k w 激光器焊 接点火器中轴与拨板的组合件。该厂于1 9 8 2 年建成两条自动焊接生产线，日产1 万件。 用激光叠接焊代替电阻点焊，可以取消或减少电阻焊所需的凸缘宽度，例如 某车型车身装配时，传统的点焊工艺需要l o o m m 宽的凸缘，采用激光焊接则只需 1 0 1 5 m m 。据统计，平均每辆车可以减轻重量5 0 k g 。据报导，至2 0 0 0 年美国 三大汽车公司5 0 的电阻点焊生产线被激光焊接生产线所取代。 8 近些年来，我国汽车工业发展速度虽然很快，但引进的都不是新的生产线， 在国内汽车企业的生产线上很难看到大量使用激光加工新技术。 ( 2 ) 钢铁行业 c 0 2 激光焊接在钢铁行业中主要应用于以下几个方面：钢带的 焊接及连续酸洗线等领域上的应用。 1 ) 硅钢板的焊接生产中半成品硅钢板，一般厚度为0 2 o 7 i i ，幅宽为5 0 5 0 0 r a m 。常用的焊接方法是t i g 焊，但焊后接头脆性大。若用1 k wc 0 2 激光器焊接 这类硅钢薄板，最大焊接速度可以达到l o m m i n ，焊后接头的性能得到了很大的 改善。 2 ) 冷轧低碳钢板的焊接冷轧低碳钢板的厚度为0 4 2 3 m m ，宽为5 0 8 1 2 7 0 m m 。若用1 5 k wc 0 2 激光器进行焊接，最大焊接速度为l o m m i n ，投资成本 仅为闪光对焊的2 3 。 3 ) 酸洗线用c 0 2 激光焊接酸洗线上板材最大厚度为6 n m l ，最大宽度为1 8 8 0 m m ， 材料种类繁多，从低碳钢到高碳钢、硅钢、低合金钢等，一般采用闪光对焊。但 是闪光对焊存在一些问题：焊接硅钢时接头里形成s i 0 2 薄膜，h a z 晶粒粗大；焊 接高速钢时有不稳定的闪光及硬化，造成接头性能不良。用激光焊接可以焊最大 厚度为6 m m 的各种钢板，接头塑性、韧性比闪光对焊有较大提高，可以顺利地通 过焊后的酸洗、轧制和热处理工艺而不断裂。例如，日本川崎钢铁公司从1 9 8 6 年开始应用i o k w 的c 0 2 激光器，焊接8 m m 厚的不锈钢板，与传统焊接方法相比， 接头反复弯曲次数增加2 倍。 ( 3 ) 镀锡板罐身的激光焊接镀锡板俗称马口铁，其主要特点是表层有锡和 涂料，是制作小型喷雾罐身和食品罐身的常用材料。用高频电阻焊工艺，设备投 资成本高，并且电阻焊焊缝是搭接，耗材也多。小型喷雾罐身，由0 2 m m 厚的镀 锡板制成，用1 5 k w 激光器进行焊接，焊接速度可以达到2 6 m m m i n 。由0 2 5 m m 厚的镀锡板制作的食品罐身，用7 0 0 w 激光器进行焊接，焊接速度为8 m m i n 以上， 接头的强度不低于母材，没有脆化倾向，具有良好的韧性。这主要是因为激光焊 焊缝窄( 约0 3 r a m ) ，h a z 也小，焊缝组织晶粒细小。另外，由于净化效应，使焊 缝含锡量得到控制，不影响接头的性能。焊后的翻边及密封性检验表明，无开裂 及泄漏现象。英国c m b 公司用激光焊接罐头盒纵缝，每秒可焊1 0 条，每条焊缝 长1 2 0 m m ，并可对焊接质量进行实时监测。 ( 4 ) 组合齿轮的焊接在许多机器中常常用到组合齿轮( 塔形齿轮) ，当两个 齿轮相距很近时，机械方法难以加工，或是因为需要留退刀槽而增大了坯料及齿 轮的体积。因此，一般是分开加工成两个齿轮，然后在连成整体。这类齿轮的连 接方法通常是胶接或电子束焊接。前者用还氧树脂把两个零件粘在一起，其接头 强度低，抗剪强度般只有2 0 m p a ，而且由于胶接时间隙不均匀，齿轮的精度不 高。电子束则需要真空室。用激光焊接组合齿轮，具有精度高，接头抗剪强度大 ( 约3 0 0 m p a ) 等特点，焊后齿轮变形小，可以直接装配使用。因为不需要真空室， 上料方便，生产效率高。 在电厂的建造及化工行业，有大量的管一管、管一板接头，用激光焊接可以得 到高质量的单面焊双面成形焊缝。 在舰船制造业中，用高功率激光器焊接大厚板( 可加填充金属) ，接头性能 优于通常的电弧焊，能显著降低产品成本，提高构件的可靠性，有利于延长舰船 的使用寿命。 激光焊接在航空航天领域也得到了成功的应用。如美国p w 公司配备了6 台 大功率c 0 2 激光器( 其中最大功率为1 5 k w ) ，用于发动机燃烧室的焊接。 激光焊接还应用于电动机定子铁心的焊接，发动机壳体、机翼隔架等飞机零 件的生产，航空涡轮叶片的修复等。 激光焊接还有其他形式的应用，如激光钎焊、激光一电弧焊、激光填丝焊、 激光压焊等几种。激光钎焊主要用于印刷电路板的焊接，激光压焊则主要用于薄 板或薄钢带的焊接。其他两种方法则适合于厚板的焊接。 总之，激光焊接在机械制造领域有着广阔的应用市场，但激光焊接在国内的 应用还处在开始阶段。 1 5 本文的研究内容和意义 c 0 2 激光焊接技术的继续发展主要集中在如何获得高光束质量的可靠的激光 光源，如何理解和解释接头设计、焊接速度、光束聚焦和等离子体效应之间的复 杂相互作用及其与焊接性能的关系。因此，本文主要从两个方面进行了研究：一 是1 5 0 0 w 激光焊接用连续c 0 2 激光器的研制；二是激光焊接的试验研究。 随着激光材料加工技术在我国的迅速推广，我国每年至少需要新增数百套激 光加工系统。激光焊接对激光器的输出光束模式以及功率稳定性有很高的要求。 激光焊接要求输出光束为t 模或t e m o o + t e m o 。的低阶模，功率稳定度 2 。国内 生产的绝大部分产品无法满足用户的要求。1 5 0 0 w 激光器的市场需求量是最大的。 进口一台1 5 0 0 w 激光器需要9 万美元，成套激光加工系统需要3 5 万美元，价格 不是中小企业所能承受的。因此，根据中国的国情，开发拥有自主知识产权的、 经济型的高功率激光焊接用c 0 2 激光器，对于激光材料加工技术在我国的普及， 1 0 具有重要的意义。激光器由谐振腔和电源组成。本文主要对谐振腔进行了设计， 电源部分为工频直流电源。 在激光器研制工作取得阶段性成果后，利用该激光器分别对3 c r l 3 不锈钢、 金刚石薄壁钻和a 卜f e - v s i 耐热铝合金进行了激光焊接的试验研究。 3 c r l 3 不锈钢属于马氏体型不锈钢。在马氏体型不锈钢中，3 c r l 3 比1 c r l 3 、 2 c r l 3 不锈钢具有更高的强度、硬度和淬透性。此种不锈钢的耐蚀性和7 0 f f 以上 的热稳定性较1 c r l 3 、2 c r l 3 低，焊接性能较差。3 c r l 3 不锈钢主要用来制造要 求强度较高的结构件，受到高应力机械载荷并在一定浓度腐蚀介质作用下的磨损 件，如3 0 0 。以下工作的轴、螺栓、阀门、轴承等。3 c r l 3 不锈钢也被广泛地应用 在测量器械和医疗器械的制造上o “。常用的游标卡尺的制造材料就是3 c r l 3 不锈 钢。游标卡尺在生产过程中，毛坯的下料是用线切割完成的，材料的利用率很低。 若能采用焊接工艺，将游标卡尺的尺头、尺身爪和尺身焊接成游标卡尺的毛坯， 则可以使材料的利用率提高7 0 。氩弧焊虽然能够焊接不锈钢，但工艺复杂，生 产效率低( 焊接速度低于1 2 0 m a m i n ) 。激光焊接不锈钢不仅焊缝成形美观，并且 可以用一台激光器，对多个工位进行焊接，便于实现自动化。本文通过对3 c r l 3 不锈钢激光焊接的研究，为激光焊接拼焊游标卡尺工艺在实际生产中的应用打下 了坚实的实验基础。 金刚石薄壁钻是一种新型的钻孔工具，其具有钻孔尺寸精确、速度快、对材 料周边无损坏和无需后续工序等特点，因而被广泛的应用于各种石材及钢筋水泥 墙的钻孔。在安装水、暖、电、气等各种管道以及其它的打孔施工方面显现出特 有的优越性。“。金刚石薄壁钻的工作部分为刀头，它通常是由金刚石和金属粉末 组成的。胎体材料经过热压烧结而成。传统的钻头制造方法是采用高频焊接，把 刀头钎焊在基体的钢套上。市场上还有一类金刚石薄壁钻是用电沉积的方法用 镍、钴把金刚石包镶在钻头基体上。这两种钻头都存在着严重的缺点：钎焊的钻 头常常在高速旋转工作时产生热量，使钎料软化或熔化，出现刀头脱落现象；而 电沉积金刚石薄壁钻则由于金刚石工作层太薄而导致使用寿命较短。激光焊接金 刚石薄壁钻头则显示出了强大的优势。由于采用高能量激光束将刀头和基体很好 的熔合在一起，形成冶金结合，故焊接强度高，而且热影响区比较小，这样就使 激光焊接的钻头具有较高的剪切强度和高温强度，在使用时能承受高温和较大的 冲击，即使在缺水的情况下，也不易出现刀头脱落情况，因而大大地延长了钻头 的使用寿命1 。目前，市场上从日本进口的3 ”激光焊接金刚石薄壁钻头在国内 的售价每个是1 0 0 元以上。尽管价格昂贵，可是市场需求量正在逐年上升。市场 虽然看好，但是技术难度很大。首先是粉末冶金烧结的刀头与基体的焊接强度必 须保证；其次是刀头外缘比钢套厚l m m ，影响了焊逢的深度：再者受工位影响， 不易实现双面焊接。对金刚石薄壁钻头激光焊接的试验研究，旨在探索一条激光 焊接金刚石薄壁钻头国产化的道路。 铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，在国防和经济建设的许多重要领 域被广泛应用。作为一种重要的轻金属结构材料，除航空、航天工业之外，高强 铝合金也越来越多地应用于高速列车、轻型汽车、舰船等，以满足交通工具不断 增长的结构轻型化的要求。激光焊接是实现铝合金结构连接最具有技术和经济优 势的加工方法。固态情况下铝及其合金内部自由电子密度很高，容易与激光束中 的光子作用而将能量反射掉，使得铝及其合金对1 0 6um 波长的c 0 2 激光有及高 的反射率( 如纯铝为9 8 ) ，而且对大多数情况下铝及其合金来说其热传导率约为 1 8 0 w ( m k ) ，是可焊性中碳钢( 6 3 w ( m k ) ) 的3 倍。因此铝及其铝合金的激光 焊接尤其是c 0 2 激光的焊接是激光加工中的一项难题。工业发达国家对铝及其铝 合金的激光焊接技术给予高度重视。”。由于受高功率、高光束质量的激光器条件 的限制，国内对铝合金激光焊接的研究较少，在此领域的研究远远落后于发达国 家。试验用的a i - 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