（机械工程专业论文）双金属带的激光焊接研究.pdf

学位论文的主要创新点 、潲 一、本课题探索采用脉冲n d ：y a g 激光束为热源，焊接带状的高速工 具钢w 6 m 0 5 c r 4 v 2 和弹簧钢6 5 m n 生产双金属带，该双金属带作为双金 属手工锯条的坯料。 二、设计加工出了生产线专用的焊接托夹辊机构，实现了双金属带焊 接过程中的夹紧压平的工艺要求。设计了专用的保护块装置，通过在 保护块中安装保护镜片，避免了高温蒸汽和等离子气体对聚焦透镜的 污染；同时，在该保护装置中开设了水流通道和气流通道，减弱了焊 接热量对激光器部件的损伤，并使保护镜片免受飞溅金属液滴的损 伤。 摘要 随着科技的不断发展，异种材料的焊接构件日益得到广泛的应用。双金属带 锯条刃部采用高速工具钢，背材采用弹簧钢，综合了高速工具钢的良好切削性能 和弹簧钢的优良柔韧性能，具有广阔的应用市场。目前该双金属带材采用真空电 子束焊接机焊接而成，而技术依然由欧美垄断，焊接生产工艺也复杂。在这种背 景下，研究激光焊接双金属带具有重要的经济效益和社会效益。 本论文系统介绍了激光焊接双金属带生产线样机的构成，其主要内容有1 1 生产线样机使用的脉冲n d ：y a g 激光器与金属的耦合效率高，加工性能良 好。采用脉冲氙灯作为泵浦源，通过电源参数调节可以方便获得所需的激光束参 数。聚光腔采用漫反射的陶瓷腔体，并采用双灯单棒椭圆腔的结构形式有效提高 了激光器的输出功率。 2 通过类比的设计方法，利用u g 软件进行了机械系统的整体设计、虚拟装 配和静态干涉分析，并介绍了机械系统中主要零部件的结构和功能。试制的机械 系统样机调试后满足了焊接时双金属带夹紧平整的工艺要求，并实现了连续焊接 的生产要求。 3 利用喷嘴结构吹出氮气对焊接过程进行保护，有效避免熔融金属发生氧 化，以获得闪亮美观的焊缝，并且焊接质量较高。在设计的专用保护块中安装保 护镜片避免了高温蒸汽和等离子气体对聚焦透镜的污染；同时，在保护块中设置 水流通道和气流通道减弱了热量对激光器部件的损伤，并使保护镜片免受飞溅金 属液滴的损坏。 4 生产线样机通过调试实现连续焊接的生产要求后，初步研究了双金属带激 光焊接的生产工艺。通过焊接试验获得了宏观焊缝较好的激光束参数和焊接速 度，并对焊缝的金相图片进行了初步的分析，明确了存在的问题及下一步的研究 方向。 关键词：高速工具钢弹簧钢n d ：y a g 激光焊接双金属带 a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yc o n t i n u e st od e v e b p ，w e l d i n ga s s e m b l yo fd i s s i m i l a r m a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e dm o r ea n dm o r e t h eb i - m e t a ls a ws t r i p ，w h i c hs a wt o o t h u s e dt h em a t e r i a lo fh i g h - s p e e ds t e e la n dt h eb a c ks a wu s e dt h em a t e r i a lo fs p r i n g s t e e lh a st h eg o o dm a c h i n a b i l i t y o f t h eh i g h - s p e e dt o o ls t e e la n de x c e l l e n tf l e x i l i t yo f t h es p r i n gs t e e la n dh a saw i d ef i e l do fa p p l i c a t i o nw i t hg o o dp r o s p e c t s a tp r e s e n t ， t h eb i m e t a ls t r i pi sw e l d e db yt h ev a c u u me l e c t r o n i cb e a mw e l d i n gm a c h i n e ，b u tt h e t e c h n o l o g yi s s t i l lm o n o p o l i z e db yt h eu s a n de u r o p e ，a n dw e l d i n gp r o d u c t i o n p r o c e s si sa l s oc o m p l e x i nt h i sc o n t e x t ，i th a si m p o r t a n te c o n o m i cb e n e f i t sa n d s o c i a l m e a n i n gf o rr e s e a r c h i n gt h e b i - m e t a ls a ws t r i pw e l d e db yt h el a s e r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n ep r o t o t y p ew h i c h b i - m e t a ls t r i pi sw e l d e db yt h el a s e r , a n dt h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n g c o m p o n e n t s 1 t h ep u l s e dn d ：y a gl a s e ru s e di np r o t o t y p ep r o d u c t i o nl i n eh a sh i g hc o u p l i n g e f f i c i e n c yw i t ht h em e t a la n dh a sag o o dp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e t h el a s e rb e a m c a n e a s i l yo b t a i nt h er e q u i r e dp a r a m e t e r st h r o u g ht h ep o w e rs u p p l y l i g h t - g a t h e r i n g c a v i t yu s i n gt h ec e r a m i cc a v i t yc a ni m p r o v et h el a s e ro u t p u tp o w e rb yt h es t r u c t u r eo f d u a l - l a m ps i n g l e - r o do v a lc a v i t y 2 t h o u g ht h ea n a l o g yd e s i g n s ，w eh a v ec o m p e l l e dt h eo v e r a l lm e c h a n i c a ld e s i g n ， v i r t u a la s s e m b l ya n ds t a t i ci n t e r f e r e n c ea n a l y s i sb yt h es o f t w a r eo fu qa n dd e s c r i b e t h em a i nc o m p o n e n t sa n df u n c t i o no f t h em e c h a n i c a ls y s t e ms t r u c t u r e 3 w ca d o p tt h en i t r o g e ng a st op r o t e c tt h ew e l d i n gp r o c e s sb yb l o w i n gn o z z l e s t r u c t u r e , a n dd e s i g nt h es p e c i a lp r o t e c t i o nd e v i c et op r e v e n tt h ef o c u s i n gl e n s 丘o m t h eh i g h - t e m p e r a t u r es t e a ma n dp l a s m a 4 w eh a v em e tw i t hs u c c e s st h ep r o t o t y p ep r o d u c t i o nl i n ew e l d e dc o n t i n u o u s l y a n dp r e l i m i n a r yr e s e a r c ht h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h eb i - m e t a lw e l d e db yl a s e r b y a n a l y s i st h em e t a i l o g r a p ho ft h ew e l dj o i n t ，w em a k eo u tt h em a i np r o b l e m sa n d u n d e r s t a n dh o wt od 0t h en e x ts t e p k e yw o r d s ：h i g h - s p e e ds t e e l , s p r m gs t e e l , n d ：y a c l a s e rw e l d i n g ，b i m e t a ls a ws t r i p 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 异种材料的焊接技术l 1 3 激光的特性3 1 4 激光焊接技术的特点和发展现状4 1 5 双金属带的焊接现状6 l - 6 本课题主要研究内容7 1 7 本章小结7 第二章激光及其焊接技术9 2 1 激光光源9 2 1 1 激光产生的机理咣的受激辐射放大9 2 1 2 光与物质的相互作用规律一9 2 1 3 粒子数反转1 0 2 1 4 光学谐振腔1 2 2 1 5 焊接机激光产生的要素1 3 2 1 5 1n d ：y a g 晶体1 3 2 1 5 2 脉冲氙灯1 4 2 1 5 3 激光谐振腔1 6 2 1 5 4 聚光腔1 6 2 2 传输和聚焦系统1 7 2 2 1 传输系统1 7 2 2 2 聚焦系统1 9 2 3 激光焊接机理1 9 2 3 1 激光与物质相互作用的物理基础2 0 2 3 2 深熔焊2 0 2 3 3 热导焊2 0 2 4 激光焊接主要工艺参数2 1 2 4 1 功率密度2 l 2 4 2 激光脉冲波形2 l 2 4 3 离焦量2 1 2 4 4 焊接速度2 1 2 4 5 保护气体一2 2 2 5 本章小结2 2 第三章激光焊接设备的研制2 5 3 1 激光系统2 5 3 1 1 设备组成2 5 3 1 1 1 激光腔体2 6 3 1 1 2 激光电源2 6 3 1 1 3 光束的传输和聚焦2 7 3 1 1 4 冷却系统2 8 3 2 机械系统设计3 0 3 2 1 机械系统总功能和生产工艺流程3 0 3 2 2 机械系统的设计任务3 2 3 2 3 机械系统设计方案分析和确定3 2 3 2 4 机械系统虚拟设计3 3 3 2 4 1u n i g r a p h i c sn x 简介3 3 3 2 4 2 虚拟装配3 3 3 2 4 3u g 建模及其主要功能模块3 5 3 2 4 4 机架3 5 3 2 4 5 前压辊3 6 3 2 4 6 料盘3 7 3 2 4 7 子母压轮3 8 3 2 4 8 焊接托夹辊3 9 3 2 4 9 动力压辊4 1 3 2 5 软件干涉分析4 2 3 2 6 运动仿真4 3 3 3 辅助系统 3 3 1 氮气保护 3 3 2 透镜冷却 3 3 3 压缩空气保护 3 4 本章小结 第四章焊接试验及其结果分析 4 1 实验材料 4 2 焊接实验及结果 4 2 1 双金属带的焊接性分析5 3 4 2 2 双金属带焊接实验5 4 4 3 焊接结果测试：5 4 4 3 1 试样制备和金相观察5 4 4 3 2 焊接金相组织及结果分析5 5 4 3 2 1 焊接接头微观形貌5 5 4 3 2 2 焊接接头分析5 7 4 4 本章小结5 8 第五章全文总结5 9 5 1 主要结论一5 9 5 2 下一步展望6 0 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 7 致谢6 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术水准的不断进步，新材料、新工艺的应用日益广泛，单一 材料的构件已经难以满足诸如耐高温性、低温韧性、耐磨性、耐腐蚀性、导电性、 导热性、磁性等多方面的使用要求。在这种生产使用背景下，异种材料的焊接结 构得到了越来越广泛的应用。异种金属材料的焊接构件不仅能满足各种使用性能 的要求，而且还能节约大量贵重金属，简化生产工艺流程，降低构件整体成本， 优化产品质量，充分发挥出不同材料的性能优势。异种金属的焊接构件近年来在 机械、电子、航空航天、石油化工、电站锅炉、核工业、造船等领域得到了广泛 的应用。 高速工具钢由美国的f w 泰勒和m 怀特于1 8 9 8 年创制的，是一种具有高硬 度、高耐磨性和高耐红热性的工具钢。其经过热处理后的使用硬度可达i i r c 6 3 以 上，在6 0 0 * ( 2 左右的工作温度下仍能保持较高的硬度，并基于其韧性、耐磨性和 耐热性均较好，主要用来制造高效率的切削工具。由于其红硬性好、耐磨性强、 强度高的特性，也用于制造性能要求比较高的模具、轧辊、高温轴承和高温弹簧 等幢1 。退火状态的高速工具钢还具有较好的机械加工性能，可以制造各种形状复 杂的精密工具。除此之外，高速工具钢还具有一定的热塑性、可磨削性等工艺特 性。根据主要合金元素的不同，高速工具钢可分为钨系高速工具钢、钨钼系高速 工具钢、钼系高速工具钢以及含钴高速工具钢。 弹簧钢是指由于其在淬火和回火在状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹 性组件的钢。弹簧钢具有优良的综合性能，具有很好的综合力学性能( 弹性极限、 比例极限、抗拉强度、硬度、塑性、韧性、屈强比等得到了很好的组合) 、较强 的抗弹减性能、良好的疲劳性能和淬透性、优良的热处理工艺性和加工成形性能。 按照主要化学成分的不同，弹簧钢可以分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢旧1 。 所谓的双金属带锯条就是采用高速工具钢作为切削部分，而锯条的主体采用 具有较好弹性性能的弹簧钢，将两者焊接在一起形成的复合材料切削工具。这种 锯条既具有高速工具钢的良好切削性能，同时又具有较好的弹性。在使用过程中 切削效率高、耐磨性强，又不易折断，具有良好的使用性能和使用寿命h 1 。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 异种材料的焊接技术 异种金属材料的焊接主要是指具有不同化学成分、不同组织性能的两种或两 种以上金属，在限定的施工条件下焊接成符合规定要求的构件，并满足预定的使 用性能要求哺1 。在给定焊接工艺条件下，能够形成致密结合的焊接接头的能力和 焊后焊接接头在长期使用条件下满足使用要求的程度统称为材料的焊接性。异种 金属材料的焊接性主要取决于两种材料的物理性能差异、结晶化学性能差异和表 面状态等。物理性能的差异指熔化温度、线膨胀系数、热导率和比电阻等的差异， 将影响焊接的热循环过程、结晶条件、接头质量；结晶化学性能的差异指晶格类 型、晶格参数、原子半径、原子的外层电子结构的等差异，既通常所说的“冶金 学上的不兼容性 ；材料的表面状态包括表面氧化层、结晶表面层情况、吸附的 氧离子和空气分子、水、油污、杂质等状态，都直接的影响异种材料的焊接性。 焊接材料之间的性能差异越大，可焊接性就越差哺1 。同时，焊接性能还与焊接接 头的尺寸、坡口形式、施焊方位、焊接工艺参数以及焊接过程操作等焊接工艺有 关。 由于不同金属的化学成分、物理性质、化学性能差别较大，异种材料的焊接 要比同种材料的焊接复杂点多，异种金属材料在进行焊接时常存在如下困难。 ( 1 ) 异种材料之间不易形成合金。 ( 2 ) 异种材料的线膨胀系数不同，容易引起不易消除的热应力，会产生很 大的 接头 明显 容易 在液 接方 焊接 激光 差异 第一章绪论 r 电弧焊t 二：茎护弋：二：主蓁： il 等= = i， 冷压焊 ，_ 蜊睫隆jl 芝剧= i电阻焊弋姚旧 、 异种焊接弋压焊 l 鼋再 l 钎焊之雾竿葬嚣 1 3 激光的特性 在生产中得到越来越广泛应用的激光具有和普通光源不同的特点，它的主要 天津工业大学硕士学位论文 特性是空间相干性高或方向性好、时间相干性长或单色性高、具有高亮度订1 。 ( 1 ) 空间相干性和方向性 根据空间相干性的条件，只有光束发散角小于某一限度，光束才具有明显的 空间相干性。激光工作物质内的所有激发态原子是在同一模式的光波场激发下受 激辐射，并且受激辐射光与激光光波场同相位、同频率、同偏振和同方向，因而 激发出的光束具有很小的光束发散角。同时合理选择的激光器光腔有利于提高光 束的方向性，这样激光的方向性就比较好，它的空间相干性程度也就比较高。 ( 2 ) 时间相干性和单色性 波长范围越小，谱线宽度越窄，光束的单色性也就越好，同一模式光波场的 激发和谐振腔的波长选择使激光束具有较小的波长范围，同时较低模式的激光束 的谱线宽度也极窄，一次激光束具有较好的单色性。根据激光的时间相干性。c 和 单色性a v 的关系： 1 l 2石(1-1) 可知激光束的单色性越高，其相干时间也就越长。因此激光束具有较好的单 色性和时间相干性。 ( 3 ) 高亮度 由于激光具有较好的方向性和单色性，通过光腔q 调制技术和激光放大器， 可以将激光振荡周期实际压缩到极小的数值；利用锁模技术和脉宽压缩技术，可 以将激光脉宽压缩到1 0 。1 s ：而且激光的能量可以集中在单一( 或少数) 模式中， 从而使激光束具有很高的光子简并度。而光源的单色亮度正比于光子简并度，因 此激光的这一特点表现为具有高亮度。 1 4 激光焊接技术的特点和发展现状 1 9 6 0 年美国科学家梅曼( tmm a i n m a n ) 成功研制了世界上第一台红宝石激 光器，激光成为2 0 世纪以来，继原子能、计算机技术和半导体技术之后，人类 的另一重大发明。激光的产生是在能量对应于两个能级差光子的作用下，诱导使 高能态的原子或分子向低能态迁，并同时释放出与之具有相同能量的光子；其产 生的基本要素包括泵浦源、工作介质和谐振腔等吲。 自激光器诞生以来，人们就开始探索激光在加工领域中的应用，随着大功率 激光器的研制和激光技术的不断发展，以及对激光与材料相互作用规律认识的不 断深入，激光加工技术已得到越来越广泛的应用。激光加工技术主要利用了光子 的能量特性；作为能量载体的光子，通过其与待加工材料的相互作用，进而引起 第一章绪论 材料的一系列物理变化和化学变化，从而实现材料的制备、成型、改性、连接和 去除等应用要求。经历了长时间的探索和积累之后，激光加工制造技术迄今已经 形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光标记、激光表面热处理、激光合金 化、激光熔覆、激光快速原形制造、金属零件激光快速成形、激光刻槽和激光掺 杂等十几种应用工艺，在电子、机械、冶金、汽车、铁路、航空航天、船舶等工 业部门得到了越来越广泛的应用。 激光焊接技术是一种无接触的加工方式，它利用了激光的亮度高、方向性好、 单色性好等特点来熔化材料，待冷却凝固后实现材料连接的目的，并且加工过程 对待焊接零件没有外力作用。在金属构件的焊接过程中，激光束具有能量高度集 中的特性，易于实现金属的快热快冷，因此其焊缝的热影响区小，而且能够焊接 高熔点、难焊的金属。其生产过程还可以在空气中直接进行，相对于在真空室中 的电子束焊接，其生产工艺简便并且不受磁场的影响，也不仅仅局限于导电材料， 焊接过程中不产生x 射线，无污染。同时，激光焊接的焊点、焊缝整齐美观，并 易于实现自动焊接阳1 。基于激光焊接的诸多优点和焊接技术的不断发展，在机械、 汽车、造船、航空航天、钢铁、海洋工程、零件表面修复等工业领域获得日益广 泛的应用。 近年来，双光束激光焊接正成为激光焊接领域的热门技术；另外，激光一电 弧复合焊接、激光一等离子弧复合焊接、激光- - m i g 复合焊接等复合焊接技术是 将两种焊接技术有机的结合起来，在改善生产工艺性和焊缝质量的同时，也提高 了经济效益，从而能够获得优良的综合效益，也已成为激光焊接技术的一个发展 趋势1 0 1 。 激光焊接按工艺方法不同可进行如下分类n ： 片与片的焊接：包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4 种 工艺方法。其中对焊工艺对材料对缝的质量要求较高，一般采用自动化或手动方 式进行焊接。 丝与丝的焊接：包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、t 型焊等4 种工艺 方法，对这种焊接一般不适合自动焊接，宜采用手动或半自动方式进行焊接。 金属丝与块状构件的焊接：采用激光焊接可以成功地实现金属丝与块状构件 之间的连接，其中块状元件的尺寸可以任意设置，但是在焊接中应注意丝状元件 的几何尺寸。 不同块的组焊及密封焊：在组件物体缝上进行密封焊接及组焊。 块状物件补焊：采用激光将激光焊丝熔化沉积到基材上，一般适合模具等产 品的修补。 产量还远远不能满足国内市场的需求。而国内目前大量生产使用的主要是碳钢锯 条，切削能力弱、寿命短、消耗快，资源浪费巨大。真空电子束焊接的双金属带 第一章绪论 的整个生产过程必须在真空环境中进行，设备复杂、检修繁琐，并且对带材的表 面质量要求较高，生产工艺复杂。因此实现双金属带的激光焊接，达到国内自主 生产，对提高我国五金工具产业制造水平，取代进口，大幅度节能降耗，具有重 要的经济和社会效益。 1 6 本课题主要研究内容 本课题要研究生产的双金属带的锯齿和锯背的材料分别采用高速工具钢 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 和弹簧钢6 5 m n ，使用脉冲n d ：y a g 灯泵浦激光器进行焊接。高速工具 钢带材的尺寸为2m i n x 0 7 衄，弹簧钢带材的尺寸为1 0 衄o 7 衄。焊接要求焊 缝处应牢固，无虚焊、气孔、夹渣等未焊透现象。针对生产和使用要求，本课题 的主要内容为： l 、介绍了生产线样机所使用的脉冲n d ：y a g 激光器系统。 2 、研制双金属带激光焊接生产线的机械系统，满足了双金属带焊接时装夹 的工艺要求，并实现了连续焊接生产。 3 、在调试完成的生产线样机进行了初步焊接试验，通过对焊接接头微观形 貌的观察分析，明确了目前存在的主要问题。 1 7 本章小结 本章介绍了异种材料焊接的特点、影响焊接性能的主要因素和焊接时存在的 一些困难，以及主要的焊接方法分类。并对激光焊接的特点、发展现状和激光焊 接的工艺分类，以及在工业领域日益广泛的应用进行了介绍。 最后本章还对双金属锯条的优良使用特性、巨大产量需求和目前国内外的生 产现状进行了介绍，说明了本课题的主要研究内容和实际研究意义。 天津工业大学硕士学位论文 第二章激光及其焊接技术 2 1 激光光源 第二章激光及其焊接技术 2 1 1 激光产生的机理光的受激辐射放大 激光一词的英文名称“l a s e r 是“l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e d e m i s s i o no fr a d i a t i o n ”中各词首字母的缩写合成，其意为“受激辐射的光放 大”。它是利用原子或分子受激辐射的原理，使工作介质受到与之相适应的光子 的激发而产生的一种方向性强、单色性高、亮度高的光束n 引。 2 1 2 光与物质的相互作用规律 光与物质的相互作用，其实质就是组成物质的微观粒子在吸收或辐射光子的 同时改变自身运动状态的现象。根据量子理论，微观粒子都具有特定的能级，并 且能级大小是离散分布的，在任意时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态 上。当粒子与光子发生相互作用时，粒子就会从一个能级跃迁到另一能级，同时 吸收或辐射光子。光与物质的相互作用有受激吸收、自发辐射和受激辐射三种形 式。 一、受激吸收 处于较低能级e 1 的粒子，在频率为v 的辐射场作用下，粒子吸收一个能量 为hv 的光子，跃迁到高能级e 2 的过程称为受激辐射跃迁。其跃迁过程如图2 一l 所示。 过程藕邀程后 现。颤一 批 图2 - 1 受激吸收 二、自发辐射 在没有外来光子的情况下，处于高能级e 2 的粒子不是稳定的状态，粒子会 自发的向低能级e l 跃迁，同时会发射出一个能量为hv 的光子，这个过程称为 自发跃迁。在自发跃迁过程中发射出来的光波称为自发辐射。其过程如图2 - 2 所 天津工业大学硕士学位论文 t - fo 过程翦过程后 卫奎一如一 向t ， ，、八 飘最 图2 2 自发辐射 三、受激辐射 如果粒子的两个能级e 2 和e l 满足辐射跃迁选择定则，当受到频率为 ( e 2 - e 1 ) h 的光子辐射时，处在e 2 能级的粒子在辐射场的作用下会跃迁到较 低的能级e 1 上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，这种过程称为受 激辐射跃迁，其过程如图2 - 3 所示。发出的光子称为受激辐射。 过程前过程后 而_ 局一 2 知p h p 。 ，、八- 冒r _ 一现嗍 图2 - 3 受激辐射 受激辐射与自发辐射的最重要区别就在于相干性。自发辐射是不受外界辐射 场控制的，而且其辐射场的相位也是不相干的。而受激辐射是在外界辐射场控制 下的辐射过程，受激辐射场的频率、相位、传播方向和偏振状态与外界辐射场完 全相同。可以想象到，如果具有大量原子处在高能级e 2 上，当一个频率为( e 2 一e 1 ) h 的光子入射时，将得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再次激励e 2 能 级上的原子，可得到四个特征完全相同的光子，这就意味着原来的光信号被放大 了。激光产生的机理就是这种光的受激辐射放大。 2 1 3 粒子数反转 高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数的状态称为粒子数反转。如果受激 辐射的光子数多于受激吸收的光子数，则表现为光的放大；如果受激吸收的光子 数多于受激辐射的光子数，则表现为光的吸收。由此可见产生激光的必要条件是 实现粒子数反转。 当频率一定的光射入介质时，受激吸收和受激辐射两个过程是同时存在的， 第二章激光及其焊接技术 受激辐射使光子数增加，而受激吸收却使光子数减小。当物质处于稳定的平衡态 时，处在较低能级e 1 的粒子数必定大于处在较高能级e 2 的粒子数。这种情况下 光穿过介质时，光的能量只会减弱。要想使受激辐射在光与物质的相互作用中占 据优势，必须使处在高能级e 2 的粒子数大于处在低能级e 1 的粒子数，既实现粒 子数反转( 见图2 - 4 ) 。 e 2 e 1 转换密度 转换密度 电 - - - ，- 一- _ _ e l ，t 0 ，故 丝 丝 ( 2 2 ) 9 19 2 即在平衡状态下高能态上的粒子数总少于低能态上的粒子数。如果采用一定 的激励，破坏物质原有的热平衡状态，使高能态粒子数大于低能态粒子数， 即满足 ：丝一堕 o 9 2g i ( 2 3 ) 也就实现了粒子数反转，称为反转粒子数。 为了实现粒子数反转，必须采用外界激励方式向介质提供能量。外界激励的 天津工业大学硕士学位论文 过程又称为泵浦，通常采用光激励、电激励、化学分解或合成的方式给介质输入 一定的能量。 2 1 4 光学谐振腔 介质实现粒子数反转后，就可以形成光放大。但是由于介质内部自发辐射的 初始光信号没有规律，获得的受激辐射的方向性也是随机的。同时为了得到较强 的激光振荡，在介质的两侧加上平行的反射镜构成激光谐振腔使垂直于反射镜的 光子来回启动介质，引起雪崩式的光放大作用，从而获得强激光。 光学 质轴线垂 腔的主要 要获 不发生横 质，其中 式中 而当凸面 反射镜 图2 5 光学谐振腔示意图 反射镜 第二章激光及其焊接技术 由理论分析知谐振腔的稳定性条件为： 0 g 1 9 2 2 5l m i n 温度( c ) o - 4 0 使用环境 湿度0 - 8 0 外型体积l x d x h 1 0 4 0 x 5 8 0 x 1 0 3 0 ( m m ) 重量 1 3 0 ( k g ) 3 2 机械系统设计 3 2 1 机械系统总功能和生产工艺流程 为了实现双金属带激光焊接的连续性和可靠性，必须要有稳定可靠的机械系 统来保证整个焊接过程。根据双金属带的生成工艺要求，生产线机械系统不但要 满足卷状带材的连续匀速运动，在焊接的过程中还要保证双金属带材既要平整， 又能避免两带材接触面之间出现间隙。根据生产工艺要求和可供参考的相似类生 产设备，我们制定出了双金属带激光焊接的生产工艺流程，并设计试制出了机械 系统。其中双金属带的激光焊接生产线的机械系统结构如图3 - 8 所示。 第三章激光焊接设备的研制 图3 - 8 生产线机械系统示意图 图中，1 为原料带卷盘，2 为带材，3 为前压辊，4 为前托辊，5 为立压辊， 6 为激光系统，7 为中导辊，8 为后托辊，9 为动力压辊，1 0 为收料盘，l l 为电 机。 生产线的工艺流程为汹】：卷状的生产原材料放置于原料带卷盘上，开卷后导 入到前压辊中，而前压辊无动力驱动，它的作用主要是对双金属带进行初步的压 平和拉紧，通过设置在支架上面的调节螺栓，可以调节前压辊预压力的大小。带 材经过前压辊后，被导入到子母压辊中，子母压辊是具有凹槽结构的一对辊子， 辊子槽的宽度与带材的宽度相配合，支架上也设置有压力调节螺栓，通过压力的 合适调节和辊子凹槽宽度的配合，可以实现对带材的再次压平和对齐。带材经过 前压辊和子母压辊的初步压平和对齐后被导入到焊接托辊上，焊接托辊与两边的 支撑结构具有一定的高度差，这样可以利用高度差和压紧力产生预紧张力，通过 带材的本身张力使带材与焊接托辊侧面充分接触，来保证两带材的平整；同时焊 接托辊上方的两侧面分别设置了一个立压辊，其中一个是完全固定的，另一个通 过转轴可以活动，通过设置的拉伸弹簧提供的预紧力提供了两立压辊之间的压紧 力，通过两个立压辊之间的挤压来避免带材接触面之间出现缝隙，造成光束不能 完全照射到带材上，与弹簧相连的螺杆通过蝶形螺母可以调节两立压辊之间的压 紧力的大小。在焊接托辊的旁边安装有输送保护气体的喷嘴，通过调节喷嘴的气 体出口位置，使其对准激光束的照射点，避免焊接过程中熔融的金属与空气发生 氧化。设置在此上方的激光系统，输出激光脉冲，在拖棍上两个立压辊之间的双 金属带焊缝上聚焦，加热成熔池，熔化焊接双金属带。焊接完成的双金属带经过 辅助压辊后被导入动力压辊，动力压辊通过链传动由调速电机驱动，动力压辊的 天津工业大学硕士学位论文 支架也设置有压力调节螺栓，通过螺栓调节压辊对双金属带的压力，进而通过摩 擦力的作用来牵引双金属带不断前进送入收带盘，通过带传动收带盘不断旋转， 将焊接后的双金属带绕卷回收已备使用。 3 2 2 机械系统的设计任务 机械系统的设计要根据实际的任务需求，通过设计者的创造性思维活动，并 借助已有的科学技术和各种资源，设计出满足要求的机械产品例。双金属带只有 在平整并且紧密结合的前提下才能实现焊接，并具有较好的焊接效果，如果两带 材在焊接过程中不能保证在同一个水平面内，两种带材的焊接熔深会出现差异， 不能完全的融合，并且在经过动力压辊的压力作用下没有充分结合的两种带材会 出现开裂的现象。如果两带材之间的存在缝隙，在激光光斑非常小的情况下，会 有一部分激光通过缝隙而没有照射到待焊的带材上，会出现焊接不牢固，甚至不 能焊接的情况，所以原料带材在焊接过程中的平整和对齐对实现整个焊接任务具 有及其重要的意义，生产线机械系统必须要保证在带材夹紧和压平的要求。同时 还要能够实现连续焊接的生产实际要求，焊接过程中带材的匀速运动和焊后双金 属带的回收。这样就对整个机械系统提出了系统的要求。 3 2 3 机械系统设计方案分析和确定 在产品设计过程中，模拟设计是一种非常富有创造性和效率的设计方法哺1 。 这种方法就是在两个同类的或非同类的，甚至是差别很大的对象之间进行比较， 找出两者之间的类似之处，再据此推出它们在其它方面的类似之处，来完成现有 的设计任务。根据现已投入生产使用的双金属带真空电子束焊接生产线，通过两 种生产方式的相似和现有的技术数据，我们采用了模拟的设计方法来实现双金属 带激光焊接的机械系统设计。 通过模拟方法确定了机械系统的设计方案后，把整个系统分为多个既独立又 相互关联的模块，既采用模块化设计手段分别进行机械结构的具体设计。通过这 种模块化的设计方案可以提高系统设计的可靠性，缩短设计周期，降低生产制造 成本，而且也便于设备的调试和检修维护旧1 。 虚拟技术和c a x ( c a d 、c a m 、c a e 等) 的高速发展，为产品设计提供了虚拟 的三维环境，为机械系统的设计和验证提供了理想的支持手段啪1 。借助虚拟的设 计技术可以对产品开发和工作过程进行虚拟模拟，对设计方案进行及时的修改和 完善，从而缩短开发周期，降低开发成本。利用三维设计软件u gn x 进行虚拟系 统的设计，通过虚拟样机的设计和检验，能够及时发现设计中的错误和不足，逐 渐形成完善的生产线机械系统。 第三章激光焊接设备的研制 综合以上思路，双金属带生产线机械系统的设计流程如图3 - 9 所示。 3 2 4 机械系统虚拟设计 图3 _ 9 设计流程图 3 2 4 1u n i g r e p h i c s 瞅简介 u n i g r a p h i c sn x ( 简称u gn x ) 是e d s 公司一个完整的产品工程解决方案， 是当今最流行的c a d c a e c a m 一体化软件之一。它内容丰富、功能强大，为用 户提供了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品构想付 诸于实际，涵盖了工业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等领域。它包含 了建模、曲面造型设计、制图、装配、运动仿真、高级仿真、模具设计、数控加 工、钣金等模块，并具有产品渲染和多种格式图片、视频导出等多种功能。u gn x 是一款功能十分强大的c a x 软件，在设计过程中具有减少设计失误，有效避免设 计、加工过程中的浪费和损失，降低成本，缩短设计周期，提高设计质量等显著 优点m 1 。 3 2 4 2 虚拟装配 虚拟装配是近十几年兴起的虚拟制造技术研究的关键部分之一，它从产品装 配的视角出发，以提高全生命周期的产品及其相关过程设计的质量为目标，综合 利用计算机辅助设计技术、虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、信息技术等， 建立一个具有较强真实感的虚拟环境，设计者可在虚拟环境中交互式地进行产品 设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能，并制定合理的装配方案。 虚拟装配技术已成为数字化制造技术在制造业中研究和应用的典范，针对复杂产 品利用该技术可优化产品设计，避免或减少物理模型的制作，缩短开发周期，降 低成本，从而实现产品的并行开发，提高装配质量和效率，改善产品的售后服务。 天津工业大学硕士学位论文 虚拟装配在航空航天、汽车、船舶、工程机械等领域的复杂产品设计及其装配工 艺规划具有重要的意义，受到国内外的普遍关注m 1 。 u g 产品的装配设计方法有两种，一种是自底向上的设计装配，既先完成各 个零件的三维实体造型，然后装配成产品，对于结构关系和重建行为比较简单的 设计，这种方法思路清晰，比较实用；对于装配关系比较复杂的设计，自顶向下 的设计方法就成为首选。自顶向下的设计是指在上下文设计中进行装配，上下文 设计是指一个部件中定义对象时要引用其它部件的几何对象，并且组件中的几何 对象只是被装配件引用而不是被复制，组件的几何模型被修改后装配体也会自动 改变。 在机械系统的设计过程中，借助虚拟现实技术在u g 的虚拟装配平台上运用 自项向下的设计方法仿真出了系统装配体模型，在进行产品部件设计的过程中实 现了整体的装配规划1 。运用u g 软件建立的机械系统三维装配模型如图3 - 1 0 所 示，试制出的样机的实物如图3 - 1 1 所示。 图3 一1 0 机械系统三维模型图 第三章激光焊接设备的研制 图3 - 11 机械系统样机实物图片 3 2 4 3u g 建模及其主要功能模块 现实中的零部件的外部形状是由实体的各个表面综合体现出来的，设计过程 中零件的三维实体模型具有极其重要的作用，既在装配模块中提供了装配体的各 个零部件，又在制图模块中提供了各个视图的零件模型。如果零件的三维实体造 型具有偏差，将影响到整个设计过程中。u g 的实体造型过程是在建模模块或装 配模块中进行的，它提供了多种强大的三维造型手段来满足设计者的需求，其基 本过程包括两部分汹1 ： 1 、建立零件的“毛坯 基本模型。通过对零件的结构的分析，利用u g 的草 图绘制功能，通过拉伸、旋转、扫掠等基本成型特征操作方法，以及长方体、圆 柱、圆锥体、球、球形拐角等基本体素建模方式建立零件的毛坯基本模型。 2 、在零件基本毛坯模型的基础上，通过特征操作完成零件细节的设计任务。 在零件毛坯基本模型精准的基础上，通过u g 的圆台、凸台、键槽、凹槽、腔体、 打孔、加强筋、倒角、圆角、整列等特征操作方法，逐渐完成零件的细节设计， 获得完整，准确的零件三维实体造型。 3 2 4 4 机架 所有的机构模块都是安装在机架上面的，整个机架框架由角铁焊接而成。机 架的安装板上开设了两条槽孔，所有机构由螺栓固定在安装板上面。采用这种结 构可以方便的调试各部件之间的间距和高低落差，以达到最佳的使用效果。机架 的u g 三维实体装配模型如图3 1 2 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图3 1 2 机架三维建模图 3 2 4 5 前压辊 前压辊是由一对相互啮合的齿轮滚轴构成的，它本身没有动力，主要作用就 是将开卷的带材进行初步压平然后传送给子母压辊。两边的支撑块安装于机架的 槽内，压盖上面设置有锁紧螺栓，通过螺栓可以调节压辊之间的间隙。其三维建 模实际图如图3 1 3 所示，图3 - 1 4 为实物图片。 图3 1 3 前压辊三维建模图 第三章激光焊接设备的研制 图3 1 4 前压辊实物图 3 2 4 6 料盘 根据生产原材料的形状特性设计了带材安装和回收装置，料盘的u g 三维实 体装配模型如图3 - 1 5 所示。图中是一个零部件的装配体，两个外挡板是可以只 有分开的，成卷状的带材安装后两挡板以图中方式通过锁紧螺母固定于轴上。由 于焊接前两种带材是分开的，所以原料带盘具有三个挡板。两种金属带材是丝盘 状的，为了带材的安装方便和回收，设计了可拆卸结构，其中两个圆片之间通过 螺母进行紧固，这样便于带材的安装和拆卸。料盘实物图和工作图如图3 一1 6 和 3 - 1 7 所示。 图3 - 1 5 料盘三维建模图 天津工业大学硕士学位论文 图3 1 6 料盘实物图片 图3 1 7 料盘工作图 3 2 4 7 子母压辊 采用相互咬合的子母压辊结构对焊前带材的压平整形和限制纵向方位具有 很强的实用性。该结构采用了凹形轮和宽度与之配合的辊子，凹形轮的槽宽与带 材宽度匹配，可以限制带材的纵向方位。通过设置在该结构支撑架上两个预紧螺 栓可以调节两轮之间的间隙，以便于调节带材所受压力的大小。该子母压辊的 u g 三维实体装配模型如图3 - 1 8 所示。 第三章激光焊接设备的研制 图3 1 8 子母压轮三维建模图 图3 1 9 子母压辊实物图片 3 2 4 8 焊接托夹辊 在焊接过程中整个焊接托夹辊机构对保证焊接质量