激光焊接基础理论

1、高能束焊接的定义高能束焊接的定义 高能束焊接（电子束焊高能束焊接（电子束焊EBW、激光束焊、激光束焊LBW）是利用高能密度束流作为热源的焊接方法。其能量是利用高能密度束流作为热源的焊接方法。其能量密度比密度比TIG或或MIG等弧焊方法高一个数量级以上，等弧焊方法高一个数量级以上，通常高于通常高于 5105W/cm2。激光束基本特性激光束基本特性 单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性、单色性 激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。 He-NeHe-Ne激光器产生的激光器产生的632.8nm632.8n

2、m谱线，线宽只有谱线，线宽只有1010-9-9nmnm。 普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr(Kr8686) )，其谱线宽度为其谱线宽度为4.74.71010-3-3nmnm。 激光的单色性比一般光要高出激光的单色性比一般光要高出10106 610107 7倍以上倍以上 . . 自然光由波场范围较宽的光构成，自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。性。 单色性决定物质对激光能量的吸收单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；和精细聚焦的可能性；CO2：10.6m

3、 CO： 5.4m YAG：1.06m 准分子：准分子：0.24m；激光自然光波长能量2、方向性好、亮度高、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。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。弧度。 激光通过直径为激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：的孔径时，由于衍射会产生一定发散：发散角发散角：4 /()1.27 /DD激光的方向性带来两个结果：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。光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大

4、。 一个具有一个具有10mW功率的功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，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。可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。3、相干性好相干性好 以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再 使两束光重使两束光重 合便产生明暗相间的条纹，这就是合便产生明暗相间的条纹，这就是 光的干涉。光的干涉。 自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。 激光的

5、相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、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。规则有序的大振幅光波。 一、光束的模式一、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，分别称之为方向的横截面内的分布，分别称之为纵模和横模纵模和横模。 光腔理论证明，在稳定光腔内外沿光轴传播方向的任意位置处，光腔理论证明，在稳定光腔内外沿光轴传播方向的任意位置处，光场的横向分布规律不变，但光束直径大小不同。光场的横向分布规律不变，但光束直径大小不同。 光腔的横模代表了激光

6、束光场的横向分布规律，对激光加工影响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。而光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。极大。而光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。 CO2激光通常用激光通常用TEMmn 表示横模的光场分布，表示横模的光场分布，TEM是横电磁波是横电磁波“Transverse Electromagnetic Wave”的缩写，的缩写，m、n为正整数。横模为正整数。横模可以是轴对称的，也可以是对光轴旋转对称的。可以是轴对称的，也可以是对光轴旋转对称的。 激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 激光束特征描述及光束传播定

7、义激光束特征描述及光束传播定义 气体激光的光能横向分布 激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 光斑半径光强 不论是轴对称还是旋转对称，不论是轴对称还是旋转对称，其其 模是一致的，称为基模。光模是一致的，称为基模。光波的强度与光波电矢量振幅的平方波的强度与光波电矢量振幅的平方成正比，一束沿方向传播的基模光成正比，一束沿方向传播的基模光束的光强可表示为：束的光强可表示为： 00TEM222222()( , , )exp( )( )PxyI x y zzz 基模光束在任意截面内的光强分布按高斯函数基模光束在任意截面内的光强分布按高斯函数 所描述的规律所描述的规律从中心向外平滑地降

8、落，故称为高斯光束。由光强降落到中心值的从中心向外平滑地降落，故称为高斯光束。由光强降落到中心值的 的点定义为光斑直径为的点定义为光斑直径为 ，在这个半径值的圆内包含了光束总能量，在这个半径值的圆内包含了光束总能量的的86.5%86.5%。中心处最大光强为。中心处最大光强为 。2222()( )xyze21/e( ) z22( )Pz激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 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，折射率不数学公式描述。因为固体激光棒不可

9、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。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 二、发散角二、发散角 0222200 ( )()w zwzz激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 光束半径激光束腰远场发散角光轴( ) z00z222020( )1zz一般，只要远场发散角较小，光束的传播也可由下面的简化公式描述：一般，只要远场发散角较小，光束的传播也可由下面的简化公式描述： 三、光束质量评定三、光束质量评定通常激光束质量的评定可采用其中任一的参数，光束传播系数（通常激光束质量的评定可采用其中任一的参数，光束传

10、播系数（K K）、）、光束衍射极限倍数（光束衍射极限倍数（M M），定义如下：），定义如下： 通常通常K K值范围：值范围：0.10.11 1， M M2 2范围：范围：1 11010 K K或或M M2 2为为1 1， 光束质量实际达到衍射极限。光束质量实际达到衍射极限。(2)(2)光束参数积光束参数积(BPP-Beam Parameter Product)(BPP-Beam Parameter Product) 其定义为束腰其定义为束腰W W0 0和激光发散角和激光发散角 0 0的乘积的乘积. .决定激光加工适用范围决定激光加工适用范围 20011KMw20oMwK 激光束特征描述及光束传

11、播定义激光束特征描述及光束传播定义 光束参数积与激光功率决定加工范围光束参数积与激光功率决定加工范围激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 四、光束的聚焦特性四、光束的聚焦特性 激光束的反射、透射聚焦激光束的反射、透射聚焦 聚焦后焦点半径：聚焦后焦点半径：focfrrK 焦点附近，光束横截面积为焦点处焦点附近，光束横截面积为焦点处2 2倍的两个光束横截面之间的距离称为倍的两个光束横截面之间的距离称为瑞利长度或焦深，可用下式表示瑞利长度或焦深，可用下式表示： 222RayleighfZrK激光束特征描述及光束传播定义激光束特征描述及光束传播定义 激光的产生激光的产生激光的形成过

12、程激光的形成过程 工作物质工作物质 激励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔光学谐振腔 CO2激光的产生激光的产生工作物质为：工作物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：混合气体，比例：6%、28%、66%； 光束波长：光束波长：10.6m;CO2激光的产生激光的产生1. 激光束激光束2. 切向排风机切向排风机3. 气流方向气流方向4. 热交换器热交换器5. 后镜后镜6. 折叠镜折叠镜7. 高频电极高频电极8. 输出镜输出镜9. 输出窗口输出窗口 高频激励横流CO2激光器系统 一般气流的流动速度较慢一般气流的流动速度较慢,

13、,将热量从放电腔中带走。将热量从放电腔中带走。CO2激光的产生激光的产生轴流式CO2激光器系统 几个功能部件在几个功能部件在谐振腔中采用了光谐振腔中采用了光学串联方式连接，学串联方式连接，这样既提高了功率，这样既提高了功率，同时又保持了各部同时又保持了各部分独立设计的特点。分独立设计的特点。 CO2激光的产生激光的产生扩散冷却式CO2激光器系统 射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电射频气体在两个大面积铜电极之间放电，电极间隙很小，放电腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量腔中通过水冷电极可达到很好的散热效果，或的相对较高的能量密度。密度。 结构紧凑、坚固，气

14、体消耗小。结构紧凑、坚固，气体消耗小。激光器类型：激光器类型： 横流横流 轴流轴流 扩散冷却扩散冷却 输出功率等级：输出功率等级： 345kW 1.520kW 0.23.5kW 脉冲能力：脉冲能力： DC DC-1kHz DC-5kHz 光束模式光束模式： TEM02以上以上 TEM00-TEM01 TEM00-TEM01 光束传播系数光束传播系数(K) 0.15 0.4 0.8 气体消耗：气体消耗： 小小 大大 极小极小电电-光转换效率：光转换效率： 15% 15% 30% 焊接效果：焊接效果： 较好较好 好好 优良优良 切割效果切割效果： 差差 好好 优良优良 相变硬化：相变硬化： 好好

15、一般一般 一般一般 表面涂层：表面涂层： 好好 一般一般 一般一般表面熔覆：表面熔覆： 好好 一般一般 一般一般 YAG激光的产生激光的产生根据工作物质分类：根据工作物质分类： 红宝石：激活离子红宝石：激活离子Cr3+，波长：，波长：694.3nm，三能级；，三能级； Nd:YAG：激活离子：激活离子：Nd，波长：，波长：1.06 m，四能级；，四能级； 钕玻璃：钕玻璃： 激活离子：激活离子：Nd，波长，波长:1.06 m，四能级，四能级根据泵浦方式分类：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

16、弧光灯泵浦氪弧光灯泵浦: 连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；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，二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲输出方式：连续和脉冲； 调调Q激光器：采用调激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦）， 脉冲宽度：脉冲宽度：100500ns，频率：几百，频率：几百62kHz。 YAG激光的产生激光的产生灯泵浦灯泵浦Nd:YAG激光器激光器 大功率激光器中，典型的大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长棒一般是长150m

17、m，直径，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。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒棒Nd:YAG激光器的功率范围约为激光器的功率范围约为50800W。 灯泵浦灯泵浦Nd:YAG体激光器体激光器 将几个将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高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。镜引导并规则的排列起来。 目前的目前的Nd:YAG激光器系统多达激光器系统多达8个腔。个腔。输出输出4kW功率。功率。 1kW的脉冲Nd:YAG激光器YAG激光的产生激光的产生 二极管泵浦二极管泵浦YA

18、G激光器激光器 二极管在连续输出模式下的使用寿命可超过二极管在连续输出模式下的使用寿命可超过10000小时小时(用于打标用于打标时寿命可超过时寿命可超过15000小时小时)，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器，而且无需任何维护。而弧光灯泵浦激光器的寿命只在的寿命只在1000小时以下小时以下(打标激光器为打标激光器为2000小时以下小时以下)。 低功率激光器：末端泵浦低功率激光器：末端泵浦 高功率激光器：侧向、横向泵浦高功率激光器：侧向、横向泵浦YAG激光的产生激光的产生 YAG激光器的氪弧灯与二极管泵浦源的谱线分布激光器的氪弧灯与二极管泵浦源的谱线分布 二极管激光的发射光和二极管激光的发射光

19、和Nd:YAG吸收波段之间的良好光谱匹配吸收波段之间的良好光谱匹配降低了降低了Nd:YAG晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量，晶体上的热负荷，从而可获得较好的光束质量，提高激光输出功率和脉冲重复频率。提高激光输出功率和脉冲重复频率。 YAG激光的产生激光的产生二极管泵浦二极管泵浦YAGYAG激光器在材料加工中的优势激光器在材料加工中的优势较小的焦点直径较小的焦点直径：切割、焊接时能达到很高的加工速度：切割、焊接时能达到很高的加工速度光束质量高：光束质量高： 工作距离大工作距离大瑞利长度大：瑞利长度大： 焦点位置对公差不敏感焦点位置对公差不敏感激光器类型：激光器类型： YAG CO2 光束

20、波长光束波长: 1.06 m 10.6 m输出功率等级：输出功率等级： 0.15kW 0.545kW 脉冲能力：脉冲能力： DC-60kHz DC-5kHz 光束模式：光束模式： 多模多模 TEM00-多模多模 光束传播系数（光束传播系数（K） 0.15 0.1-0.8 电电-光转换效率：光转换效率： 3-10% 15-30% 光束传输光束传输: 光学镜片或光纤光学镜片或光纤 光学镜片光学镜片 焊接效果：焊接效果： 优良优良 好好 切割效果：切割效果： 一般一般 优良优良 表面处理表面处理: 好好 好好运行成本运行成本: 高高 低低 CO2、YAG激光器性能比较激光器性能比较 典型典型激光条结

21、构的发射表面是一个窄条，被分成激光条结构的发射表面是一个窄条，被分成25个子阵列，每个子阵列，每个子阵列约有个子阵列约有25个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度个发射点，谐振腔由激光条的两个表面构成，长度约为约为600m。 半导体结构内的电半导体结构内的电子空穴复合时，可以子空穴复合时，可以在非常窄、非常薄的在非常窄、非常薄的区域内产生几毫瓦功区域内产生几毫瓦功率的光，许多这样的率的光，许多这样的元件组合起来可形成元件组合起来可形成一个一个“激光条激光条”。半导体激光的产生半导体激光的产生 激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹顶部激光条中，光以条纹形式发射，一个方向看类似波纹

22、顶部轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。轮廓，另一侧面看类似高斯分布轮廓。 半导体激光的产生半导体激光的产生 激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。激光条前部安装一个短焦距的微透镜，将发散光转换为平行光。 进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常进一步提高功率，可在每个激光条的上面再安装散热器，通常将这样的单元结构称为将这样的单元结构称为“堆栈堆栈”，采用专门的反射镜，将几个这采用专门的反射镜，将几个这样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达样的堆栈合在一起，能够传输的最大功率达6kW 6kW 。半导体激光波长半导体激光波长808808，940940，980nm98

23、0nm。半导体激光的产生半导体激光的产生附带电源的大功率半导体激光器半导体激光加工头半导体激光的产生半导体激光的产生CO2、YAG、半导体激光器光束质量对比、半导体激光器光束质量对比激光加工系统的构成激光加工系统的构成激光器激光器CNC控制系统控制系统CNC控制工作台循环水冷系统气体供给系统光束传输及聚焦激光器控制器反射镜传输反射镜传输CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理光纤传输光纤传输光纤传输基本原理光纤传输基本原理 聚焦元件聚焦元件f1f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦合角合角不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传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，通过光学元件出时是发散的，通过光学元件f2f2和和f3f3进行校准和聚焦。进行校准和聚焦。 光纤传输方式光纤传输方式光纤传输方式光纤传输方式 多路转接器多路转接器 以很高的转向频以很高的转向频率，依次给超过率，依次给超过2020根的光纤提供光源，根的光纤提供光源，适合适合“多点多点”或或“多工位多工位”激光加激光加工。工。 远距离焊接系统原理激光焊接汽车组合齿轮激光