激光焊接原理及实践应用.ppt

激光焊接LasersWelding GirishP Kelkar Ph D 激光LASER 受激辐射式光频放大器的英文第一个字母的缩写LightAmplificationbyStimulationofEmittedRadiation 参考资料References 激光的工业应用 J F ReadyIndustrialApplicationsofLasers J F Ready激光焊接 W W DuleyLaserWelding W W Duley激光加工 W M SteenLaserMaterialsProcessing W M SteenAWS焊接手册 1 4AWSWeldingHandbooks 1 4激光加工手册 美国激光协会出版HandbookofLaserMaterialsProcessingPublishedbytheLaserInstituteofAmerica公开的相关文献Publishedliterature 请记住 Remember 学习需要积极的参与Learningrequiresactiveparticipation不耻下问Feelfreetoaskquestions无所顾及地提出个人不同见解Donothesitatetopresentdifferentviewpoints 光Light 光是一种电磁辐射Lightiselectro magneticradiation我们听不到 Wavesthatyoucannothear可见光的波长在0 4 0 7微米之间 Visiblefrom0 4 0 7micronwavelength波长小于0 4微米是紫外线和X光Below0 4 ultraviolettox rays波长大于700nm的光为红外线和微波 Above0 7 infra redtomicrowaves 1 m 光的吸收和颜色AbsorptionandColor 物体的颜色来源于它反射的光的波长Colorofanobject wavelengththatitreflects 颜色和光的波长是相关联的 Colorisassociatedwithparticularwavelength黑色和白色代表着什么 Whatisthemeaningofblackorwhitecolor 黑色表面吸收了YAG光 而白色在反射了大部分光 BlacksurfacewillabsorbYAGlightwhilewhitewillreflectmostofit 我们为什么需要激光 WhydoweneedLasers 材料加工需要吸收很强的光 Absorptionformaterialsprocessingrequiresveryintenselight高强度的光可以通过激光聚焦成光束获得 Intensitycanbegeneratedbyfocusingabeamoflaserlight普通光不能聚焦成很高的能量密度 或足够小的点 Ordinarylightdoesnotfocusdowntoahighenoughpowerdensity orsmallenoughspotsize 手持放大镜可以把太阳光聚焦让纸燃烧但是不能把金属融化Hand heldlenscanfocussunlighttosetfiretopaperbutnotenoughtomeltmetal LightandLasers 单频的 单波长 Monochromatic singlewavelength 校准的 平行光 Collimated parallel 激光LaserLight普通光OrdinaryLight 很多波长Manywavelengths不平行Notparallel LightandLasers 激光LaserLight普通光OrdinaryLight 激光的聚焦FocusingofLasers 激光LaserLight普通光OrdinaryLight 单频 单波长 和校准 平行 的光可以聚焦成很小的焦点Monochromatic singlewavelength andCollimated parallel lightcanbefocusedtoaverysmallspot 激光的种类TypesofLasers 激光能量传输LaserPowerDelivery连续波ContinuousWave CW 脉冲PulsedQ 开关Q switched激光频率LaserFrequencies基频和倍频Fundamentalandmultiples 连续光纤激光ContinuousWaveFiberLasers 激光在光纤中产生Laserlightiscreatedinthefiber可在连续波和脉冲波中使用CanbeusedinpulsedmodeaswellasCW可以被用于焊接和切割Canbeusedforweldingandcutting 激光二极管光LaserDiodeLight 激光二极管光LaserDiodeLight 光纤Fiber 脉冲YAG激光 焊接 PulsedYAGLasers Welding 闪光灯开关产生脉冲Flashlampturnsonandofftocreatepulses光纤用于传送激光Fiberisusedtotransmitlaserlight 闪光灯 光泵 FlashLamp OpticalPump 全反镜100 mirror 90 反镜90 mirror 光纤Fiber 激光棒LaserRod 脉冲打标激光PulsedMarkingLasers Q switchingproducesveryshortpulses 10 100nano secCannotbeusedforweldingLaserlightdelivereddirectly nofiberFrequencycanbedoubledortripledtogetgreenorUVlight Rod Mirrors Q switch GalvoMirrors FocusLens FrequencyMultiplier notpresentinallmarkers Galvo 光学器件Galvo Optics 经常用于打标 Oftenusedformarkingapplications逐渐受到焊接应用的青睐 Isgainingpopularityforweldingapplications Nutfield Inc 激光频率LaserFrequencies 上表只包括了大部分常用的和商业化的激光器 Tableincludesonlythemostcommonandcommercializedlasers 脉冲YAG激光焊接典型示意图TypicalLayoutforPulsedYAGWeldingLasers 镀膜反光镜CoatedMirrors 激光Laser 光纤OpticalFiber 聚光头FocusHead 工件Workpiece 透镜Lens 注 某些激光不通过光纤直接传输 Note Somelasersaredelivereddirectwithoutfiber 聚焦高度和焦点尺寸Focusheightandspotsize 短焦距透镜将光束聚焦成更小的点 Shortfocallengthlens ofgivendiameter willfocusthebeamtoasmallerspot高的能量密度 HigherenergydensityFocusheightiscriticalduetoshallowdepthoffocusLensprotectionfromworkpiecespatterisimportant 短焦距ShortFocalLength长焦距LongFocalLength TimeShare Asinglelasercanbeusedformultipleapplicationsonatimesharedbasis基于同一个理论 单雷射可以一次性用于多种应用 Mostconvenientwithtransmissionthroughopticalfiber通过可见纤维的转换是最方便的 Processingstationscanbeindifferentrooms工作台可以放在不同的房间 Mirrors 100 Reflective 全反镜 EnergyShare Laserenergysplitintomultiplefragments雷射能量分成多个部分Typicallythreeoutputsforcircumferentialspotwelding典型的是圆周点焊接的3份输出量 Mirrors PartiallyReflective 反光镜 部分反光 33 50 100 30W 10W10W10W TotalInternalReflection完全内反射 Lightpropagationthroughfibersdependsontotalinternalreflection通过光纤的光线传播完全取决于完全内反射 Air空气 Glass玻璃 Core核 Cladding覆层 ProtectiveSheath接地屏蔽 OpticalFibers光学纤维 Singlemodehasverysmallcorediameter 10microns单模式只有很小的直径 10微米Usedfortelecommunicationsandnowforfiberlasers用于电讯 现用于光纤激光SIandGIhavecoresfrom0 1mmto1mm单模式和分级模式的核从0 1mm到1mmHigherdiameterforhigherpowerlevel能量级别越高直径越大 SteppedIndex SI 步长指数 SingleMode单模式 GradedIndex GI 分级模式 IndexProfiles剖面指数 SIvs GI单模式vs分级模式 SIandGImostfrequentlyusedinmaterialsprocessing单模式和分级模式多用于材料加工过程 SIoutputis top hat independentofinput单模式的输出独立于输入呈大礼帽状morerobust更有活力GIoutputmorefaithfulrepresentationofinput分级模式的输出与输入呈保持靠近 Cancreateproblemsifinputbeamqualitychanges如果输入光束的质量改变可能会产生问题 Canmakedeeperwelds cuts可能焊接 切的更深 Weldprofilescouldchangebasedonfocusheight焦点高度可能产生焊接侧面的变化 SIGI 0 6AspectRatio纵横比1 5 TopHat大礼帽状 WeldProfiles焊接剖面 FiberInputAlignment光纤输入排列 GoodAlignment好的排列 Couldburnfiberinputend可能烧焦光线输入莫端 Couldcreateplasmaatfocus在焦点产生等离子体 Couldburncladding可能烧伤覆层 SpotSizewithFiber光点直径带光纤 Spotsizeisanimageoftheoutputcorediameterofthefiber从光点的大小可以反应出光纤核直径的大小Sizedependsonmagnificationofthetwolensesinthefocushead其大小是由镜头前的两个透镜来决定的 OpticalFiber光纤 CoreDiameter核直径 SpotSize光点直径 LaserSafety CommonSense常识Doyounotputyourhandindirectpathofalaserbeam不要把手的头放在雷射光束的路径中 Donotlookdirectlyatalaserbeam不要直视雷射光束evenatthoselaserpointersbeams 不要看雷射点 Donotlookatanylaserprocesswithanakedeye不要用不防护的肉眼看任何的激光过程 useplasticsafetyglassesforCO2lasers用塑料防护眼镜来防护CO2雷射 useYAGsafeglassesforYAGoperations在钇铝石榴石操作中用钇铝石榴石安全眼镜 EyeDamage NearUVfromweldingplasmaandUVlasersIfyouseebluishwhiteduringmaterialprocessing youneedUVprotection ordinaryplasticsafetyglassesarenotsufficient 如果你在材料加工的过程中看见蓝白的光 你需要UV保护 一般的塑料防护眼镜是不起作用的 VisibleandNearIRfromYAGandfrequencydoubledlasers Cornea角膜 Lens透镜子 Retina视网膜 FarUVandFarIRNearUV接近UVVisibleandNearIR CollateralDamage Fumes烟Solvents grease etc fromtheworkpiece溶剂 油脂等 Metaldustcouldbetoxic金属颗粒可能有毒 Decompositionproductsofplasticsprocessing marking welding ordrilling couldalsobetoxic在朔料加工的规程中的分解产品 打表 焊接 或者钻孔 也是有毒的 Installvacuumpumpsandappropriatefilters安装真空泵和合适的过滤器 NeedspecialTidustcollectorswhenweldingTiinagloveboxformedicaldeviceapplications当在用于医疗器械的手套盒子中焊接钛的时候 需要特殊的吸钛器 FireHazard火灾 LaserBeamscanhavebeenknowntocausefires镭射激光能够引起火灾 Breaksinopticalfiber光纤削弱Makesureopticalfiberisnotwoundtootightly确保光学纤维不会太击伤 LeakageinCO2directopticsLaserbeamwalkingoffworktableontoplasticcoversLaserbeaminteractionwithglovesinaglovebox Laser MaterialInteraction Forlensandwindows AandRhavetobesmall对于透镜和窗户 A和R应该是小的 Formirrors Rhastohigh对于镜子 R应该高一些ForLaser basedmaterialsprocessing AhastobehighandRshouldbelow对于以雷射原理为基础的材料加工 A要高一些 R应该要低一些 IncidentEnergy入射能 Reflection反射 Absorption吸收 Transmission转播 I A R T InitialReflectivityofMetals金属的初始反射率 Greymetals AgandAl arereflectivetoallcolorsinvisiblespectrum灰色金属 AgandAl 对所有的有色光谱中的颜色都有反射作用 Copperreflectsnearredwavelengthsandabsorbsothers铜在红色波长附近反射 在其他中吸收 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 2 0 4 0 7 1 0 10 Wavelength mm Reflectivity Ag CarbonSteel碳钢 Ni Cu Al Nd YAG CO2 Source IndustrialLaserApplications JohnReady LaserAngle雷射角落 Forallweldingapplications thelasershouldbeangledoffverticaltopreventlaserenergyfromgoingbackintothelasercavityandcausingdamage对于所有的焊接应用 雷射应该与角落垂直以防雷射能量回到激光腔 引起损失 5degrees AbsorptivityofMaterials材料的吸收率 Reflectivityisalsoaffectedbysurfaceroughness surfaceoxides partgeometry andweldpoolshape反射率也是由表面光滑度 表面氧化度 零件几何 以及焊接池的形状 LaserWelding镭射焊接 Configurations结构 Gapdimensionsbecomemorecriticalaspartsgetsmaller由于零件尺寸变小 缝隙的尺寸变得更重要 ButtWeld对接焊接Gap 0 1t t Cap盖子 Can罐子 t Configurations Gapdimensionsbecomemorecriticalaspartsgetsmaller由于零件尺寸变小 缝隙的尺寸变得更重要Canweldmultiplelayers罐子多层焊接 LapWeldGap 0 15t Configurations Preferconfigurationswherethemoltenmaterialflowsintotheweldinsteadofpullingawayfromit最好的形状是融化的物质是流入到焊接而不是脱离焊接 LapWeld LapFillet LapEdge AnnularWelds Fitupisimportant移动的台面很重要 Ifgapispresent stresseswilldeveloptowardstheendoftheweld如果有缝隙 应力会随着焊接而增大Press fitpreferred最好有压配合 SmallVolumeWelds Air gasintheenclosedvolumeduringfinalweldheatsupandtriestoescape空气在有限的空间里会随着焊接的热量膨胀 并试图逸出 Cancauseporositytowardstheendoftheweld可能会在焊接的最后引起多孔 AirPressureIncreasesDuringWelding在焊接饿过程中空气的压力增加 PressureRelief卸压 Allowpressurereliefonenclosedvolumes如下情况需要泄压Reducecrack likefeatureswhichmaybecausedbyhighpressuretrappedinside泄压可以减少像这种由于内部压力过大而引起的类似裂纹的缺陷 ShieldGas Mainfunctionofshieldinggasistoprotectthemoltenmetalfromreactingwithoxygen保护气体的保护作用主要是保护融化的金属不与氧气反应 Shieldinggasalsohelpsto 保护气体也有助于Protectlens lenscoverfromweldsplatter保护透镜 透镜盖不受焊接泼溅Controlplasmacloudformation控制等离子雾形成 Washawaymetalvaporsintheplume吹散等离子体中的金属蒸汽 ShieldGas Whatisplasma 什么是等离子体Plasmaisionizedgas等离子是离子化气体Electronsareseparatedfromatoms metalaswellasshieldinggas 电子与原子分离 金属和屏蔽气体 Plasmaisthefourthstateofmatter otherthreearesolid liquid andgas 等离子体是事物的第四种状态 其他的三种是固体 液体和气体 Whatisplume 什么是等离子体 Plumeisamixtureofplasmaandmetalvapors等离子体是等离子以及金属气体的混合体 Plume ShieldGasesforYAGLasers Heliumisidealbutveryexpensive氦很理想 但是很昂贵Argongasismostcommonlyused氩气是最常用的Nitrogencanbeusedforsomealloys氮可以用于一些合金 Someweldsaremadeinair noshieldinggas buttheweldsurfaceisnotverysmooth有些焊接在空气中做 没有保护气体 但是焊接表面不是太顺滑Maystillproduceacceptableweldquality可能仍旧能够产生有效的焊接质量 Soot Sootisblackcoloreddust typicallyreferredtoas soot thoughitisnotcomposedofcarbon烟是黑色的灰尘 虽然叫煤烟但它不是由碳组成的 Soot isafinedustofmetalpowderthatisdepositedfromtheplume煤烟是一种从等离子中沉淀下来的金属粉末 Chemicalanalysisof soot fromInconel600 ShieldGasConfiguration Coaxial共轴Toohigh destabilizestheweldpool increasedporosity太高 动摇焊接溶池 引起多孔 Toolow cancausenegativepressureandpulluptheweldmetal太低 会引起负压力 使融化的金属突起 Betterforshielding最好屏蔽SideFlow侧流Usefulforsweepingawaytheionizationproducts用于清理等离子体 PulsedYAG脉冲钇铝石榴石 ImportantParameters重要的参数Pulse脉冲Width宽度Energy能量Power能量Shape形状PulseOverlap脉冲交迭SpotSizeandFocus光点和焦点 PulsedYAG脉冲钇铝石榴石 Energy J 能量 Power kW 力xWidth宽度 msec Initialenergypeakhelpsthelaserenergytocouplewiththematerial初始的高能量可以使激光能量与金属耦合 ProgrammedPulse程序脉冲 PeakPower PulseEnergy脉冲能量 PulseWidth脉冲宽度 ActualOutput实际输出 PulsedYAG脉冲钇铝石榴石 Shortpulseofhighpeakpowercancauseexpulsion高的峰值能量的短脉冲能引起坑 Longpulseoflowpeakpowerwillproduceawiderandshallowerweldbead低顶点能量的长脉冲会产生更宽和更浅的焊缝 Power PulseWidth DeeperPenetration更深穿透GreaterPorosity更多多孔MoreExpulsion Spatter更多飞溅 ShallowerPenetration更浅穿透LessPorosity更少多孔Cleanerweldswithnoporosity更干净焊接没有飞溅 Effectofpulsetimeonweldsize脉冲时间对焊接尺寸的影响 Weldspotdiameterincreasesrapidlyinthefirstfewmilli seconds rateofgrowthreduceswithtime焊斑直径在最初的千分之一秒期间迅速变大 增长的速度随着时间的增长而降低 Time WeldSize Effectofpulsetimeonpenetration脉冲时间对焊接尺寸的影响 Foragivenpeakpower weldpenetrationstabilizesafteracertainthresholdweldtime对于指定的能量高峰 焊接深度在一定的焊接时间后变得稳定 Maximumpenetrationisdirectlyproportionaltopeakpower最大的深度是与能量高峰成直接正比的关系 Aboveacertainthresholdofpower thelaserwillendupdrilling cutting gouginginsteadofwelding在一定能量的之上 雷射将钻孔 切断 咆削而不是焊接 Time Penetration PeakPower1 PeakPower2 PulseShaping脉冲形状 Singlepulseorthreesectorpulseofferedbycapacitorbasedpowersupplies由电源电容器产生的单脉冲和三个脉冲Newermachinesofferinvertertechnologywithcontinuouspulseshaping更新的提出的能够提供无间断的脉冲形状 Time msec PeakPower Energy J 能量 Power kW 力xTime时间 msec Single单个Three sector三部分Multi sector多部分 WeldCracking焊接破裂 Canisanchoredinthecapwhilecansurfacehasleverage罐子被锚在夹具中 而罐子的表面有杠杆作用 Weldcoolingalwaysintroducesresidualstresses焊接冷却往往引起残余压力 Combinationoflargeweldvolumeandrapidcoolingcanintroduceexcessiveresidualstressesthatcausecracking大量焊接加之迅速冷却能产生过量的残余压力从而引起破裂 LaserFeatures PulseShape雷射特征 脉冲形状 MeltingandPenetrationPulse溶解渗透脉冲 CouplingPulse偶合脉冲 StabilizationPulse稳定脉冲 controlledcoolingtoreduceexpulsionandresidualstresses控制冷却减少残余应力 6 0kW 0 50 51 02 0m sec 50 30 0 2 PulseShaping脉冲形状 Modifiedpulsegavetimefortheweldtocoolslowlyandallowtheporetoriseabovetheweldinterface改良脉冲使焊接冷却的时间变慢 而且使得气孔有时间从熔融的金属中上升到表面 FocusHeight焦点高度 Atfocus spotsizenotsensitivetofocusheight在焦点 点大小与焦点高度不相互影响 Atfocus plumeistallestandsoundishighestpitch在焦点 等离子体是最高的 而且声音也是最高调的 usedtofindfocusheight用于找出焦点高度 Focususuallysetatthesurfaceforpulsedwelding焦点通常设在表面为脉冲焊接 Focussetbelowsurfacefordeeperpenetrationandkeyholemodewelding焦点射在表面以下为更深的穿透和缩定焊接 PulseOverlap脉冲交叠 Dependsonthicknessofcomponentontopandshapeofweldbead取决于零件上端的厚度和焊缝的形状 Overlapshouldbegreaterbyasafemargin在一定安全范围之内 交叠会大一些 Note Excessiveoverlapisexcessunwantedheatintotheweld注意 过量的交叠是过度的热量在焊接中出现 Non hermeticOverlap不密封交叠 HermeticOverlap密封交叠 PulseOverlap脉冲重叠 Lapweldsrequirehigheroverlap重叠焊接要求更高的重叠Buttweldscanbehermeticevenat50 overlap对接焊接可以被密封 即便是50 的重叠 ButtWeld对接焊接 LapWeld重叠焊接 ButtWeld对接焊接 LaserWeldQuality雷射焊接质量 WeldSurfaceInspection焊接表面检测Weldsurfaceshouldbecleanandfreeofspatter焊接表面需干净 没有滴溅Novisiblecracksorholes没有可见的裂缝和孔 Good NotGood LaserWeldQuality雷射焊接质量 MechanicalTesting机械测试BurstStrength爆发力量PulltestorShearTest拉力测试和剪切测试LeakTest测漏测试StrengthAnalysis 力量分析Itisveryimportanttokeeptrackofwhereandwhenthefailuresoccurredduringtesting在测试中 记录在那里和什么时候失败是十分重要的Marklocationsoffailureforfurtheranalysis在失败的地方做标识是以便将来进一步分析 WeldSectionAnalysis焊接部分分析 CrackedWeld焊接破裂 SmallPressureBubble 小压力泡沫 GoodWeld好焊接 X rayAnalysisX RAY分析 Cracksgrowatanangleandappearasstraightlinesinthex ray shallowweldonright 破裂在一个角中扩大 在X RAY中显示为一条直线Smallporositiesmaybedifficulttoseeinsuchimages在这样的图片中很难看到小孔 Checkforalignment查看齐边 WeldCrack焊接破裂 ShallowWeld焊接阴影 Alignment X rayimagesofgoodweldsX RAY中好的焊接 LaserMaintenance雷射维护 Feedbackmonitoronlycheckslasercavityperformance doesnotcheckpoweratweld反馈器只查看激光腔的性能 不会查看焊接时候的能量 LaserCavity激光腔 FocusHead焦点头 EnergyMeter BurnMarks Plexiglas etc 能量剂 火刺 树脂玻璃 Lens透镜 FeedbackMonitor监视器反馈 EnergyMeters能量计 JouleMeters焦耳Setforsinglepulseoraverageovermultiplepulses定为单脉冲或者平均大于多脉冲Shouldbeusedperiodicallytoconfirmenergyattheweld在焊接的时候周期性的确认能量Automationsystemcanbesetformeasurementatwarmupandaftersetnumberofpulsewelds在启动的时候或者确定脉冲焊接的时候用自动化系统 来确定量度 Spotsizeandshape黑点的大小和形状 Burnpaperandb