激光焊接原理及其在汽车中的应用

1、1激光焊接技术介绍2目 录 目 录激光产生原理激光焊接技术激光焊接应用3焊接技术简介目前常用的焊接工艺有：电弧焊（氩弧焊、手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、气体保护焊）电阻焊高能束焊（电子束焊、激光焊）钎焊以电阻热为能源：电渣焊、高频焊 ；以化学能为焊接能源：气焊、气压焊、爆炸焊；以机械能为焊接能源：摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊 焊接工艺精度变形热影响焊缝质量焊料使用条件激光焊精密小很小好无钎焊精糙一般一般一般需要整体加热电阻焊精糙大大一般无需要电极氩弧焊一般大大一般需要需要电极等离子焊较好一般一般一般需要需要电极电子束焊精密小小好无需要真空4激光产生原理 激 光 (Lase

2、r) （镭射） (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) “受激辐射的光放大”“激光”钱学森在1963年提出 5激光产生原理激光产生理论介绍 激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态： a. 受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到 与此能量相对应的较高能级。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁 b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子 的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向 低能级基态（E1）跃迁，同

3、时辐射出能量为（E2-E1）的光子。受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子6激光产生原理c. 受激辐射（激光）: 当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅 速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都 相同的光子。 受激辐射跃迁E2E1E2E1入射光子受激辐射光子入射光子粒粒子数反转子数反转要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的 粒子数，这种 分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反 转是产生激光的必要条件。 7激光产生原理晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源

4、工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。 谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式，化学式。工作介质（YAG晶体）光源泵电源全反射镜半反射镜激光束8激光产生原理激光的产生过程可归纳为：激光的产生过程可归纳为：激励能源工作物质全反射镜部分反射镜激激光光

5、产产生生工工作作物物质质光光子子放放大大及及振振荡荡其其它它粒粒子子的的受受激激辐辐射射偶偶然然的的自自发发辐辐射射粒粒子子数数反反转转外界激励光学谐振腔9激光产生原理固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃；气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；半导体工作物质：砷化镓 工作物质工作物质被激励后能发生粒子数反转的被激励后能发生粒子数反转的活性活性物质物质激励装置激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源能使激活介质发生粒子数反转分布的能源光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）；电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子

6、；化学激励：应用化学反应方法；热激励： 超音速绝热膨胀法；注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。一一 . 激光激光特点：特点：1 1 方向性好方向性好 （发散角（发散角10 -4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38万万km的月的月球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到手电筒的光射到m处，处，扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使长为长为2.5km的隧道掘进偏的隧道掘进偏差不超过差不超过16nm.2 2 单色性好单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 910 nm

7、激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍倍. .10103 3 能量集中能量集中 脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）亮度极高亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光在屏上形成的小光斑，有极大的激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度照度 太阳表面的亮度比白炽灯大太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大比太阳表面的亮度大10亿倍。激光亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。是当今世界上高亮度的光源。激光的能量在空间上、在时间上高度

8、集中激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。瞬间产生出巨大的光热。在工业上，在工业上， 激光打孔、切割和焊接。医激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器 4 4 相干性好相干性好l空间相干性好，有的

9、激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。l时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），相干长度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。激光焊接特性三要素：激励源，介质，谐振腔。介质受到激发至高能量状态，由于受激吸收跃迁光在两端镜间来回反射，将光波放大，并获得足够能量而开始发射出激光。 激光的四性：单色性、相干性、方向性、高亮度因而高度集中的激光可以提供焊接、切割及热处理等功能16激光焊接过程激光焊接属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。 激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。 激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。 激光焊优点是不需要在真空中进行，缺点则是穿透力不如电子束焊强。激光焊时能进行精确的能量控制，因而可以实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 17激光焊接应用1 1、制造业应用拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。 从20世纪80年代中期开始，拼焊板作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，拼焊板的使