激光焊接基础知识 - 图文

米亚奇公司 Nd（钕）:YAG激光器激光焊接指南

米亚奇公司2003年版

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目录

1.激光基础 1.1介绍

1.2激光产生的原理 1.3Nd:YAG激光的介质 1.4泵浦源 1.5谐振器

1.6激光安全

2.激光焊接基本原理 2.1脉冲激光焊接 2.1.1实时功率反馈 2.1.2输出功率斜波 2.1.3脉冲的成形 2.1.4时间的分配 2.1.5能量分配 2.1.6光束的传输 2.1.7聚焦头

2.2激光是怎么实现焊接的 2.3主要焊接参数

2.3.1接缝设计与配合 2.3.2部分聚焦

2.3.3材料的选择和其表面镀层 2.4激光的参数 2.4.1名词术语 2.4.2光学系统

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2.4.3聚焦镜片

2.4.4峰值功率和脉冲宽度 2.4.5接缝的焊接 2.4.6保护气体 2.5焊接举例

1. 激光基础

1.1 介绍

“激光”一词是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射而放大的光）的缩写，激光器的要素有： 1.激光介质 2.输入泵浦 3全反射镜 4.前端反射镜 5.共振器 Nd:YAG激光器有两种类型，连续波的和脉冲波的，正如它们的名字所指，连续激光的波形要么是开，要么是关，但脉冲激光只用部分脉冲完成焊接。脉冲激光利用峰值功率进行焊接，反之连续激光使用的是平均功率，这使得脉冲激光只用很小的能量就能实现焊接，并形成了更小的热影响区，脉冲激光焊提供了无与伦比的点焊性能和极低的焊接热输入，米亚奇的就是脉冲激光焊机。

1.2 激光产生的原理

激光本质上是分三步产生的，发生几乎是瞬间的。

1. 泵浦源给介质提供能量，将介质内部原子激活，使得带电原子暂时被激发到高能级，处在此活跃级的带电原子是不稳定的，于是跃迁到低能级，在这个

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过程中，从泵浦源吸收能量的电子释放多余的能量并辐射出一个光子，这个过程叫做自发辐射，通过这种方式产生的光子是激光的种子。

2. 光子自发传播并最终撞击到别的处于高能级的电子，由于光速极快，处在激发态的原子的密度很大，所以这个过程是极其短暂的，入射光子将电子从高能级激发到低能级并产生另一个光子，这两个光子是相干的，这意味着它们相位相同，波长相同，传播方向相同，这个过程叫做受激辐射。

3. 光子传播方向是不定的，然而一些沿着介质传播的光子撞击共振器的反射镜，又通过介质反射回来，共振反射镜决定了受激辐射的优先扩大方向，为了使这个扩大发生，那处在活跃态能级的原子数量必须远大于处在低能级原子的数量，这种大量处在活跃能级的“粒子数反转“是产生激光的必需条件。

活跃态 激光光子 泵浦能量 电子 活跃态 两个激光光子 泵浦能量 基态 电子 基态

谐振器 图B:激光产生的三个阶段的简化图示，包括：（1）自发辐射（2）受激辐射（3）放大

1.3 Nd:YAG激光介质

Nd：YAG激光焊接者所用的激光棒是一种合成的钇铝石榴石晶体，主体材料是含有一小部分钕的YAG材料，一种活性元素，在钇离子中加入钕离子叫做掺杂，

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通常的掺杂比例约为1，1.5%，选择最佳的激光效果和防止过度应变的晶体为掺杂时机，因为Nd3+离子体积大于Y3 +离子，YAG晶体是激光材料Nd3+的理想主体材料，硬度高，稳定，光性均匀的，并具有良好的导热性，允许激光在高平均功率水平工作，钕是一种很好的激光材料，因为它能产生比任何其他掺杂元素都要高的功率，激光棒的功率和光学性能决定了它的尺寸，由于晶体质量和热管理，激光棒的最大尺寸限制在了长度200mm和直径15mm。

1.4 泵浦源

使活跃的介质产生激光，需要输入外部能量或泵浦源，泵浦源的选择取决于激光介质的类型和激光的类型，Nd：YAG晶体是一种固态激光器，即介质是固态晶体，并用光的能量作为泵浦源，光能是由脉冲激光焊机闪光灯提供的。

1.5 谐振器

谐振腔的设计对激光束的发射质量和空间功率分布有着重要的影响，最常用的谐振器设计成由两个球形或平面反射镜面对面，光束的传播特性是由反射镜的曲率和它们之间的距离决定的，光镜的曲率和间距的优化需要复杂的分析，这是因为激光棒中产生激光的过程中的热效应将其更加复杂化了，当激光吸收泵浦能量时，激光棒就被加热。如果泵浦能量的频率超过晶体的热弛豫时间，晶体的温度就会升高，这导致在激光棒晶体温度梯度引起的热透镜效应，使晶体作为透镜的衍射的激光功率的降低，这个过程在晶体激光棒中引起温差，并通过晶体棒像透镜一样衍射激光而导致热透镜效应。

脉冲激光焊接的泵浦腔给闪光灯和激光棒提供房间，它一般设计成内壁镀金的椭圆形状，用来反射从闪光灯传播到晶体棒的所有的光，流动的水浸没整个泵浦腔来冷却闪光灯和激光棒。

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镜子 闪光灯 泵浦腔 镜子 激光棒

图C:Nd:YAG脉冲激光焊的主要组成是一个用闪光灯的光学泵浦

1.6 激光安全

在美国，美国食品药物管理局CDRH对激光安全问题负有管理权，此外，美国的激光研究所提供了激光安全的指导方针和实践，除了与操作任何设备相关联的名义危害外，用Nd YAG激光相关的主要风险是涉及与激光物质直接或间接的眼睛接触，由于人眼实际上将激光束直接聚焦到视网膜上，激光操作员和在激光附近的其他所有人，必须长时间工作在众所周知的一级眼安全环境，激光有四个级别，从四级到一级，一级是最安全的，一级眼安全环境要么通过带上任何合适的安全护目镜，要么所有激光物质包含在一级密封的机箱或工作站内，CDRH提供激光制造商和用户具体规则、标准和每种类型的激光和能量级的暴露限值。

2 激光焊接基本原理

Nd:YAG脉冲激光焊接系统包含几个要素：1.激光，2.光束传输3.聚焦头4.激光焊接系统5.关键焊接参数。

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激光焊接系统要素 激光 光束传输 光纤/反光镜 聚焦头 透镜 过程 焊接系统 运动

2.1脉冲激光焊

焊接用的激光是由Nd:YAG激光器闪光灯泵浦产生的脉冲激光，Nd:YAG晶体是最有效和最强大的材料，可用于解决晶体棒内产生的功率热量，与二极管泵浦和Q开关产生的激光相比，脉冲激光焊要的是闪光灯，二极管不适合产生脉冲，Q开关不能提供给焊接用的高效能量。

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Nd：YAG激光棒 灯泵浦模块 穿透镜 激光能量监视器 输出透镜 可变反射镜 照射器 输出调节器 抽样 反馈 中央处理单元 输出波监视器 灯泵浦能量供给逆变器 监视显示 输出波形设置

图D:一个脉冲Nd：YAG激光焊机的布局所展示的谐振腔和光学光束传输组件，注意实时功

率反馈，以及时间或能量分配的能力

2.1.1实时功率反馈

也许Nd:YAG脉冲激光焊机需要设计成能提供一系列特殊的特性，用来优化焊接工艺，为更多苛刻的应用增加可靠性和可重复性，实时功率反馈，通过对源电流的脉冲宽度调制，在闪光灯整个生命周期中，确保卓越的脉冲稳定性，自动提供相同的预置焊接参数。

2.1.2功率斜波

在缝焊应用中，功率斜波的特征是消除使用旧的激光设计原本发生的末端脉冲的破裂，功率斜波允许焊接程序逐渐增加焊接开始和结束时的激光能量，它还提供了一个更具美观性焊缝。

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图E:缝焊中的渐变特性，防止末端脉冲破裂，保证生成平滑的焊缝

2.1.3脉冲成形

大多数焊接情况下使用的是如下图所示的方波焊接脉冲，但在少数应用中使用脉冲成形能增强焊接性，脉冲波形有很多种，但最常用的是两个基本波形，第一个用来克服像铜和铝这样的高反光性材料，第二个是用来尽量减少焊接过程中容易出现开裂的的那部分材料的热循环。

峰值功率 方波脉冲 细高脉冲 退火脉冲

脉冲成形项目 2.1.4时间分配

时间分配特征允许一束激光被分成两束或两束以上传输到焊缝，用来有序分隔工作区域或者工作环境。由于时间的分配，一束激光可以提供用于各种焊接参数的多样的工作环境，这极大减小了激光的成本。

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2.1.5功率分配

功率分配特征允许一束激光被分配，同时传输到两个或更多焊缝，因此大大增加了每束激光脉冲的焊接数量，每束光束都适当地平衡，这样每个焊缝的熔核都具有相同的形状，面积和深度。

2.1.6光束传输

通常使用大约5m长的柔性光缆将光束传输到焊接区，柔性光缆的使用，大大有利于集成到总控激光焊接系统，工厂自动化设备和机器人。使用位于激光腔中的光学系统将激光束发射到光纤中，光纤有两种类型，阶梯指数或者渐变指数，纤维也可有不同的核心直径，从100至1000微米，进一步详情请参阅3.4.2节。

2.1.7聚焦头

光学线缆将激光能量传输到聚焦头，聚焦头由光学器件组成，它聚焦光纤发出的激光并发射到被焊接的材料上。较长的焦距透镜产生较大的光斑直径，而较短的焦距透镜产生较小的焊点。（更多细节见3.4.3聚焦光学）。

2.2激光焊接过程

激光焊接是一种非接触的过程，需要从焊接部件的一侧进入焊接区，强烈激光以毫秒为单位快速加热一般材料，形成焊缝，激光的灵活性提供了三种类型的焊接：传导模式，传导/渗透模式，穿透或小孔模式。

传导 穿透/传导

穿透/小孔 图F：根据激光脉冲的功率密度和脉冲宽度产生的三种类型的焊接

?传导型焊接是在低能量密度形成一个浅而宽的焊核，

?传导/穿透模式发生在中等能量密度的情况下，比传导模式显示更大的穿透比， ?穿透或小孔模式的焊缝具有深而窄的特征，这种模式下，激光在气化了的材料里形成了一个像钥匙孔一样的细洞，它延伸到材料，并为激光提供导管，高效地在材料内部传输，这种直接输送到材料的能量不依赖于传导，以达到渗透，

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并因此将热量集中到材料，并减少热影响区。

2.3关键焊接参数

关键焊接参数可分为两部分，与零件本身有关的参数和激光的参数

2.3.1联合设计与拟合

由于激光焊接是一种非接触式的过程，可焊接广泛形状的接头，此外，激光能够焊接到很局限的区域，主要的接头设计如图G所示。在任何的理想焊接接头中，更薄的材料是顶片。

对接 搭接 角接

图G:最常见的焊接接头，其他大多形状都有它们演变而来

可靠的激光焊接最重要的要求是焊接接头的紧密配合，激光点焊或缝焊通常是一个自发过程，这意味着在焊接过程中不添加填充材料，因此，如果焊接表面太远，没有足够的焊接材料来弥补缺口，焊缝将会产生咬边，为了得到最好的结果，接头间隙应该是零或紧密结合，但这不切合实际，有点间隙是允许的，根据经验，此间隙切不能大于材料最薄处或焊接渗透深度的10%，哪个都是越小越好，必须强调的是，间隙的公差要具体，并且要充分检查并用实验测量的方法量化。

2.3.2部分对齐

激光焊接用的聚焦光斑直径通常为100到1000微米，更好的焊接应用可能要求更小的光斑直径（25-50微米），比如医疗导管或者微型电子设备，激光焊接的接缝必须足够精确，这样聚焦光斑才不会偏离接头，这种错位的公差是有一定直径的聚焦光束的一个功能，并在一个较小程度上设计接头，垂直公差却不太重要，但也扮演着尽可能聚焦光束的角色。

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水平对齐 垂直对齐

图H:名义上的激光与工件部分对齐公差，横向公差是至关重要的，垂直方向上的公差对于焊

接过程要求很宽

垂直公差涉及到确保在接头处的聚焦光斑有足够的能量密度形成焊缝，这个公差叫做聚焦深度，他一般是镜头焦距的0.5%长。因此，当一个100毫米的瞄准仪和一个100毫米的焦距镜头的组合使用，聚焦深度约0.5mm。

2.3.3材料的选择和镀层

激光可以焊接各种钢、镍合金、钛、铝合金甚至是铜，然而，有材料更适合于激光焊接，一些材料很难或者不可能用激光焊接，与任何其他焊接技术一样，某些类型的材料是难以焊接，除非他们符合一定的材料特性。激光焊接的材料的特性有:a)材料的反射性，b) 高热循环的影响，c)不稳定合金元素的蒸发， 最普遍的焊接材料是钢铁，通常的挑选规则是保持碳含量低于0.12%，对于不锈钢，保证Cr/Ni比例大于1.7，不锈钢合金ANSI 303和许多400系列合金以及高碳钢应该避免过高的碳，磷，硫含量，通常，镍合金和钛是非常易于焊接的，铝合金和铜是比较特殊的例子。

电镀材料和镀金方式也会在焊接过程中产生意义重大的效果，举个例子，由于在化学镀镍过程中包含磷和其他杂质，导致金属增加了焊接问题，建议的镀镍方法是电镀。镀层厚度和类型也是需要考虑的，例如金属的镀层厚度大于50英寸时，会导致焊缝开裂。

2.4焊接参数

由每个脉冲创建的焊缝是由该脉冲的峰值功率密度和其持续时间确定的，每秒的脉冲个数，脉冲重叠和焊接速度，也决定了一个焊缝的成形。峰值功率密度控制着焊缝的融深，也决定了光纤类型和熔核直径，光学聚焦器和激光峰值功率

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输出。

脉冲宽度控制着输入热量，焊缝宽度和热循环，脉冲重复率或脉冲频率也控制着输入热量和热循环。

2.4.1专业术语

峰值功率

这是一个可以选择激光的直接参数，它控制着每个脉冲的最高功率，峰值功率的单位是瓦。 脉冲宽度

脉冲宽度在激光脉冲表示的是持续时间，单位是毫秒。 脉冲能量

脉冲能量包含了一个脉冲的能量，是峰值功率和脉冲宽度的乘积，E = Ppx t,单位是焦。 脉冲频率

脉冲频率相当于闪光灯一秒钟产生的脉冲个数，一般用Hz或pps表示。 平均功率

这个参数一般适用于不止一个脉冲焊接时的情况，它表示一个脉冲周期的平均功率，它是脉冲能量和脉冲频率的乘积，Pave= E x Hz，单位是瓦。 峰值功率密度

峰值功率密度是某一部分功率的集合，由除了聚焦光斑区域的峰值功率决定，斑点尺寸由光纤直径和聚焦头的放大率的乘积确定，单位是W/cm

2

脉冲宽度 脉冲能量 峰值功率 平均功率 脉冲周期 脉冲频率=1/脉冲周期 12 / 17

图I:脉冲激光焊重要参数图示，包括峰值功率，平均功率，脉冲宽度，脉冲能量以及脉冲频

率

2.4.2光缆

激光通过光缆传输到焊接区域，这跟线缆被设计成中心部分承载激光，一个像镜子一样的多层部件使得激光能够进行传输，外面包了一个金属外套，防止激光泄露。中心区域的尺寸可根据光斑直径和激光输入功率的要求做成不同的直径。在聚焦光斑尺寸方面，核心直径直接影响最终聚焦光斑的大小和峰值功率密度。

入射激光 末端聚焦 光缆 聚焦头

末端聚焦斑点=光缆直径╳F2/F1 图J:光纤端面的发光硅芯传播光束，周围用硅包裹，用钢套连接。光被不同折射率的核心和包层材料限制在中央核心，这样激光发生全反射。激光被光学聚焦器件发射到光纤中，然

后被聚焦头聚集到焊接区域。

例如一个300微米的内芯的聚焦光斑的尺寸是600微米的内芯的一半，因此能量密度是后者的四倍，但是600微米的内芯相比300微米的，没有功率限制。内芯的选择取决于实际使用情况。光纤除了内芯直径还有两种类型：台阶指数光纤（SI）和梯度折射率光纤。

两者的不同之处在于：台阶指数光纤趋向于均匀光束结构，而渐变折射率光纤通过光纤长度保持光纤结构的形状。这两种光纤供了在融深方面不同的焊接特性，即焊接宽度范围和焊接稳定性。根据实际应用选择这两种光纤。

2.4.3光学聚焦器件

聚焦头有效地将光纤的端部投影到工作面，光学镜片将光束传输到聚焦头，光束第一次在聚焦头里被聚焦，然后聚集成一个斑点。图像可以由准直系统和聚焦透镜放大或缩小。

光学聚焦器可根据实际应用或者当一个大尺寸内芯光纤必须用于处理更高的功率而需要一个小尺寸的光斑时来微调光斑的大小，末端焦距透镜的焦距的选择也决定了聚焦头和工件之间的距离。

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轴向器 准直透镜 光缆 聚焦镜片 末端聚焦

末端斑点尺寸=光纤内芯直径╳准直器的焦点长度/聚焦透镜的焦点长度

图K: 聚焦头通常安装在一个摄像机的轴上，使得激光束在焊接的前中后期都沿着直线路径照射到焊接区域，摄像机极大地帮助操作者获得最佳的焊接定位，使激光束到最合适的位置，

也根据末端光斑尺寸给出了光纤光缆直径和聚焦头透镜之间的的关系

2.4.4峰值功率和脉冲宽度

峰值功率，用瓦特表示，直接影响峰值功率密度，峰值功率密度用W/CM2表示。峰值功率密度控制着焊接渗透率，脉冲宽度通常用毫秒表示，控制着输入热量。

焊缝横截面形状

焊缝横截面形状 脉冲宽度增加→ 峰值功率增加→

图L：增加脉冲宽度和峰值功率时对焊缝横截面的影响

增加脉冲宽度增加焊缝尺寸和热影响区通过增加热传导时间。最适宜的峰值功率定义为：抛开材料本身，在给定功率的情况下能够形成最深熔深的峰值功率。用高的峰值功率焊接呈现出窄而深的焊缝并在焊缝金属里形成高的热循环。增加脉冲宽度，将减小热循环并缩小熔深变化，引进高传导性的焊接机械可增加脉冲宽度。

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2.4.5缝焊

与缝焊有关的另外的参数是脉冲频率，用赫兹表示，以及焊接速度。焊点重复率，即与焊接速度，脉冲频率，聚焦光斑直径三个量有关系的值，常被用于确定最佳工作用激光和确定总的焊接循环时间的方程式中。

焊点重复率=焊接速度/光斑直径*脉冲频率

图M：表示了焊点重复率与焊接速度，脉冲频率，聚焦光斑直径的关系

当缝焊在脉冲渗透参数，焊接速度和脉冲频率之间达到平衡时，大多数情况下这时工作在最初选择的熔深脉冲参数，有效熔深和焊点重复率，然后决定焊接速度。

有效渗透

最大渗透 50%重复率 85%重复率 焊接速度=光斑直径*（1-光斑重复率/100）*Hz 图N：简明扼要的表示了各种重复率下重复率与有效熔深的比值

例如焊点直径是0.005，重复率是50%脉冲频率是10Hz,则焊接速度=0.005×（1-0.5）×10=0.025“/s

焊接渗透率由焊点重复率和焊接速度决定，重复率等级决定了有效熔深。好的机械强度下焊点重复率能达到40%-60%。但是，在密封焊接应用中，代表性的要求是70-85%重复率，重复率提高了，焊接速度也就提高了。

2.4.6保护气体

保护气体是用来防止大气中的氧气快速氧化焊接区域，氩气，氦，氮等性气体在焊接过程中以低气压流到焊缝区来保护焊接区。机械器具和焊接强度通常不受保护气体的影响，有保护气体的焊缝是很光亮和动人的。保护气体也用于冷却焊接热影响区和总体的热输入。

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2.5焊接举例

许多材料和部件都可以使用激光焊接，下面是一些例子。

科伐包密封 导丝

管的连接 密封 继电器连接 16 / 17

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/39dh.html