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1、第二章激光焊教學(xué)目標：1.了解電子束焊接的原理、工藝特點、分類及應(yīng)用范圍；2.能夠制定焊接工藝，熟悉基本操作方法與安全防護。第一節(jié)激光焊概述激光焊（LaserBeamWelding，LBW）-----是利用能量密度極高的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊具有能量密度高、穿透力強、精度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點。作為現(xiàn)代高科技產(chǎn)物的激光焊，已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必不可少的加工工藝。隨著航空航天、電子、汽車制造、醫(yī)療及核工業(yè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)形狀越來越復(fù)雜，對材料性能的要求不斷提高，對加工精度和接頭質(zhì)量的要求日益嚴格，同時企業(yè)
2、對加工方法的生產(chǎn)效率、工作環(huán)境的要求也越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足要求，以激光束為代表的高能束流焊接方法，日益得到重視并獲得了廣泛的應(yīng)用。一、激光焊原理及特點（一）激光焊的原理激光---指激光活性物質(zhì)或稱工作物質(zhì)受到激勵，產(chǎn)生輻射，通過光放大而產(chǎn)生一種單色性好、方向性強、光亮度高的光束。激光經(jīng)透射或反射鏡聚焦后可獲得直徑小于0.01mm、功率密度高達106～1012w／cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面處理的熱源。激光焊實質(zhì)上是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程，這個過程極其復(fù)雜，微觀上是一個量子過程，宏觀上則表現(xiàn)為反射、吸收、加熱、熔化、汽化
3、等現(xiàn)象。1.激光的反射與吸收被反射金屬自由電子密度越大，即電導(dǎo)率越大，對激光的反射率越高，金、銀、銅、鋁及其合金對激光的反射比其他金屬材料要大得多。光亮的金屬表面對激光有很強的反射作用。被焊件吸收激光焊的熱效應(yīng)取決于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。影響激光吸收率的因素：金屬的性質(zhì)、溫度金屬對激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨著電阻率的增加而增大。室溫時材料對激光的吸收率僅為10％以下，而在熔點以上吸收率將急劇提高。金屬表面狀態(tài)金屬表面狀態(tài)（氧化膜、表面粗糙度、表面涂層等）對入射激光的吸收影響較大。金屬表面存在氧化膜可顯著增大對波長為10.
4、6μm激光的吸收率。金屬表面越粗糙，對激光的吸收率越高。為增大激光吸收率，可對金屬表面進行噴砂處理，應(yīng)用機械或化學(xué)方法對金屬表面進行涂層，都可有效增大金屬對激光的吸收率。激光的波長激光器輻射波長越短，金屬的反射系數(shù)就越小，所吸收的光能就越多。激光的功率密度激光焊時，激光光斑的功率密度超過閾值（大于106W／cm2），光子轟擊金屬表面導(dǎo)致汽化，金屬對激光的吸收率就會發(fā)生變化。當(dāng)材料沒有發(fā)生汽化時，不論處于固相還是液相，其對激光的吸收僅隨表面溫度的升高而有較慢的變化；一旦材料出現(xiàn)汽化，蒸發(fā)的金屬形成等離子體，可防止剩余能量被金屬反射掉。如果被焊金屬具有良
5、好的導(dǎo)熱性能，則會得到較大的熔深，形成小孔，從而大幅度提高激光吸收率。2．材料的加熱激光光子入射金屬晶體光子與電子發(fā)生非彈性碰撞電子獲得能量電子由低能級躍遷到高能級與其他電子碰撞以及與晶格的互相作用光子的能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動能材料溫度升高，材料表面及內(nèi)部溫度改變。金屬內(nèi)部電子間互相碰撞時，每個電子兩次碰撞間的平均時間間隔為10-13s的數(shù)量級。3．材料的熔化及汽化激光加工時，材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)換是在極短的時間（約為10-9s）內(nèi)完成的。在這個時間內(nèi)，熱能僅僅局限于材料的激光輻射區(qū)，而后通過熱傳導(dǎo)，熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。激光焊時，材料達到熔點
6、所需的時間為微秒級。脈沖激光焊時，當(dāng)材料表面吸收的功率密度為105w／cm2時，達到沸點的時間為幾毫秒。當(dāng)功率密度大于106w／cm2時，被焊材料會產(chǎn)生急劇的蒸發(fā)。在連續(xù)激光深熔焊接時，正是由于蒸發(fā)，蒸氣壓力和蒸氣反作用力等能克服熔化金屬表面張力以及液體金屬靜壓力而形成“小孔”。形成的“小孔”類似于“黑洞”，它有助于對光束能量的吸收。另外，激光束射入小孔中時，顯示出“壁聚焦效應(yīng)”。由于激光束聚焦后不是平行光束，與孔壁間形成一定的入射角，激光束照射到孔壁上后，經(jīng)多次反射而達到孔底，最終被完全吸收。4．焊縫的形成激光焊過程中，工件和光束做相對運動，由于劇
7、烈蒸發(fā)產(chǎn)生的表面張力使“小孔”前沿的熔化金屬沿某一角度得到加速，在“小孔”后面的近表面處形成如圖2－2所示的熔流。此后，“小孔”后方液態(tài)金屬由于散熱的結(jié)果，溫度迅速降低，液態(tài)金屬很快凝固，形成連續(xù)的焊縫。（二）激光焊的特點1.優(yōu)點焊縫深寬比大可獲得深寬比大的焊縫，激光焊的深寬比目前已超過12：1，焊接厚件時可不開坡口一次成形?？珊覆牧隙噙m宜于常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬、熱敏感性強的材料以及熱物理性能、尺寸和體積差能殊的工件間焊接；也可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機玻璃等。功率密度高聚焦后的激光束功率密度可達105～107w/cm2，甚
8、至更高，加熱速度快，熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小，易于實現(xiàn)深熔焊和高速焊，特別適于精密焊接和微細焊接。可達性
