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【科普】激光焊接(lbw)的几个概念——激光加工
关键词:激光焊接
2020-08-03

1 前言

任何物质均是由分子 原子组成,进一步分析,在原子里存在电子 质子中子等微粒子,电子绕原子核转动距离的不同,可以把原子分成不同的能级。通常把原子处在最低的能级状态称为基态;能级比基态高的状态称为激发态。处于激发态的原子,在没有外界信号作用下,自发地跃迁到低能态时产生的光辐射,称之为自发辐射。原处于高能级e2的粒子,受到外界能量为(如光照射)的光子的激励,发出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级e1其辐射出的光子频率由两个能级间的能量差来决定,即hν=e2 -e1。


自发辐射      受激辐射

原子获得能量后处于不稳定状态(也就是激发状态),它会以光子的形式把能量发射出去。这种通过受激辐射光扩大(light amplification by stimulated emission of radiation)就是激光名字的由来,激光,就是被引诱(激发)出来的光子队列,光学特性一样,步调极其一致。

基本原理-电池波区分图


2 激光产生

激光产生

光的受激辐射的放大条件,①激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去;②增益介质——能在外界激励能源的作用下辐射光子状态。

光是受根据受激物质的不同可分为固体激光气体气体。


yag激光:

固体激光,又称nd.yag ,来自(neodymium-dopedyttriumaluminiumgarnet; nd:y3al5o12)或中文称之为掺钕的杂钇铝石榴石晶体,可激发脉冲激光或连续式激光,发射之激光为红外线波长 1.064μm。


光纤激光:

固体激光,(fiber laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤(sio2为基质材料拉成的玻璃实体纤维)作为增益介质的激光器,按激光输出波长的波段分类为s-波段(1460~1530 nm)、c-波段(1530~1565 nm)、l-波段(1565~1610 nm)。


co2激光:

气体激光,co2激光器中,主要的工作物质由co,氮气,氦气三种气体组成。其中co是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体,放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和co分子发生碰撞,n2分子把自己的能量传递给co2分子,co分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。


碟片激光 :

固体激光 ,(disk laser),又称圆盘激光器,它与传统的固体激光器的本质区别在于激光工作物质的形状。将传统的固体激光器的棒状晶体改为碟片晶体,这一创新理念将固体激光器推向了一个新时代。碟片激光器以其极佳的光束质量和转换效率在工业制造业中得到了日益广泛的应用。


半导体激光器(diode laser):

以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用,常用工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)。

(1)单色性 激光具有其他光源的光所难以达到的、极高的单色性。

(2)方向性 激光束的方向性好,即光线的发散度小。

(3)相干性 相干性是区别激光与普通光源的重要特性。

(4)能量密度高 激光束也和其他光束一样,可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦。


激光的比较

最大输出功率方面:

1).光纤激光器达到50kw,

2)yag固体激光器为6kw,

3)co2激光器达到20kw,

4)碟片激光器达到8kw。


使用比较:

1)yag激光器输出的波长为1.06um,恰好比co2激光波长10.06μm小一个数量级,因而使其与金属的偶合效率高、加工性能良好(一台800w yag激光器的有效功率相当于3kw co2激光功率);

2)yag激光器能与光纤偶合,借助时间分割和功率分割多路系统能方便地将一束激光传输给多个工位或远程距离工位,便于激光加工实现柔性化;

3)yag激光器能以脉冲和连续两种方式工作,其脉冲输出可通过调q和锁模技术获得短脉冲及超短脉冲,从而使其加工范围比co2激光更大;

4)yag激光器结构紧凑、重量轻、使用简便可靠、维修要求较低,故其应用前景看好。


光纤激光器的优势:

1、光纤激光切割机光电转换率高,综合电光效率高达20%以上,能够大幅度地节约运行成本;

2、光纤激光器具有免调节、免维护、高稳定性的优点;

3、光纤激光器使用寿命长,而且维护比较简单;

4、结构简单、体积占地面积小。


光纤激光器的缺点:

1、相位稳定性不容易做好;

2、不能切割非金属材料和厚板金属。


bpp(4/5kw)方面:

beam parameter product (光束参数乘积远场发散角半角×近场光束半径)

1)光纤激光器小于2.5,

2)yag固体激光器为25左右,

3)co2激光器达到6,

4)碟片激光器为8左右。


半导体泵浦寿命方面:

1)光纤激光器可连续工作10万小时以上。 

2)yag固体激光器可工作1000小时左右、

3)co2激光器预计在5万小时左右、

4)碟片激光器寿命大约为1万小时左右。


维护和操作费用/小时(4/5kw)方面:

1)光纤激光器每小时¥2

2)yag固体激光器每小时¥35

3)co2激光器每小时¥20

4)碟片激光器每小时¥8


光纤激光是近几年来得到快速发展的固体激光器,其激光器结构独特并且创新。输出激光功率达25kw以上的高质量光束。因结构紧凑、维护简单、运行可靠,已表现出良好的应用势头,在相当多的领域正在逐步替代传统的nd:yag激光和co2激光器。


4  应用

1)切割速度快,热影响区小,工件被切部位的热影响层的深度为0.05~0.1mm,因而热畸变形小。

2)割缝窄,一般为0.1~1mm,割缝质量好,切口边缘平滑,无塌边,无切割残渣。

3)切边无机械应力,工件变形极小。

4)无刀具磨损,没有接触能量损耗,也不需更换刀具,切割过程易于实现自动控制。

5)激光束聚焦后功率密度高,能够切割各种材料,如高熔点材料、硬脆材料等。

6)可在大气中或任意气体环境中进行切割,不需真空装置。

主要焊接方法功率密度对比

lbw: laser beam welding(激光束焊接)

1)激光能量密度高,这对高熔点、高热导率材料的焊接特别有利。

2)焊缝深宽比大,比能小,热影响区小,焊件变形小,故特别适于精密、热敏感部件的焊接,常可以免去焊后矫形、加工工艺。

3)一般不加填充金属。

4)激光可透过透明体进行焊接,以防杂质污染和腐蚀,适用于真空仪器元件的焊接。

5)焊接系统具有高度的柔性,易于实现自动化。




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