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摘 要：本文首先对光的波长和用途，特别是对激光的波长和用途作了较详细的说明。在激光焊接方面，以激光焊接热源—激光器，以及其输出特性—光束质量入手，来阐述不同种类的激光在不同输出功率下输出的光束质量的特性，紧接着结合实例对激光焊接的几大接特性以及激光焊接时容易出现的问题及解决方法进行了论述。最后阐述了激光焊接的发展前景。激光焊接特性和激光焊接工艺有紧密的联系，掌握了激光焊接特性、制定了良好的激光焊接工艺过程才能够实现良好的焊接质量，所以对激光焊接特性的研究有很重要的意义。
关键词：激光焊接特性；光纤激光器；半导体激光器；碟片激光器
Characteristics of Laser Welding
XU Guojian1 WANG Hong1 CHANG Lili1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2
1School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，
Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， [email protected]
2Shenyang Siasun Robot & Automation CO.， LTD.， NO.16 JinHui Street， HunNan New District， ShenYang 110168， P.P.China， [email protected]
Abstract： In the first place， the article illustrated the wavelength and application of light ，especially illustrated the wavelength and application of laser in details. In the laser welding， firstly introduced laser welding heat—Laser， and its characteristics of output—BPP（Beam Parameter Product）. Secondly， expounded the different kinds characteristics of output—BPP under the different output power. Then based on the several examples of laser welding， elabrated the characteristics of laser welding technology， the problems which is easy to appear during the laser welding and its solving methods. Finally， briefly summarize its development potential.There is a closed relationship between the characteristics of Laser welding and its procedure，therefore， mastered the characteristics of laser welding， established good laser welding process， we could achieve a good welding quality。
Key words： laser welding characteristics； fiber laser； diode laser； disc laser
項目名称：辽宁增材制造产业技术研究院建设
项目编号：17-500-8-05
1.前言
激光是一种电磁波，由于它具有许多自身特殊的性质，所以在工业领域正在被广泛地应用。根据电磁波的波长、名称、激光种类和特征用途，大致归纳总结如表1所示[1]。
激光是通过人工增幅产生的，不是在自然界中自然形成的，它是由美国的C.H. Townes及T. H. Maiman等科学家在1960年开发出来的[2]。因此，激光的语源是英语的LASER，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。
从T. H. Maiman科学家们在1960年发明了红宝石激光及A. Javan科学家们发明了He-Ne激光以来，经过10多年后，先进工业国家从70年代开始出现了利用激光加工技术的“光产业工业”，并随着时代的发展大约经历了45年的时间其规模越来越大。例如美国GM公司在1971年利用CO2激光切割点火线圈用绝缘纸。在日本，1983年光产业领域的生产额约4667亿日元，1989年光产业领域的生产额达到了约2兆860亿日元，2005年光产业领域的生产额超过了10兆日元，在经济泡沫的不好时期仍然保持着正增长的趋势。
随着激光技术的不断发展，激光作为一种新型的能源在焊接方面也被广泛的应用。许多过去认为不可能实现的任务，激光能够很好的做到。激光焊接之所以能够在各个行业如火如荼地发展起来，是因为它具有一系列其他焊接方法不可替代的特性[2-16]。
2.激光焊接特性
随着激光焊接技术日益成熟，其应用范围也越来越广。以最为代表性的汽车行业而言，汽车车身的远程激光焊接、汽车零部件的激光—电弧复合焊接、激光钎焊等已经正在替代传统的焊接技术。激光焊接技术之所以被人们认可，是因为激光焊接与电弧焊、电阻焊等这些的焊接热源比较具有很多特性。 2.1激光束的聚焦直径小、能量密度高、焊接精度以及焊接效率非常高、能够实现高熔点材料的焊接
用于激光焊接和切割的能量密度高。普通电弧及等离子弧的热源能量密度为0.2～1.0 kW/mm2，YAG激光的能量密度为14～16 kW/mm2、半导体激光为32 kW/mm2、碟片激光为96 kW/mm2、光纤激光为159 kW/mm2，激光的能量密度远高于电弧及等离子弧热源的能量密度。另外，额定功率300 W单模的FBL激光能达到了4，718 kW/mm2的超高能量密度，在如此高的能量密度下，可以想象完全改变了以往加工特性的理念[6]。
一般情况下，10 kW的光纤激光接合速度相当于60 kW的电子束焊接的接合速度，达到了极高加工能力。这是因为光纤激光的光束质量好而使焦点处的光束直径比电子束直径还小。可以预见在将来的焊接领域，将会进一步扩大激光焊接的应用范围。到2008年底，日本约有100台以上的高输出光纤激光器用于生产及科研等领域[7]。
2.2 激光可以用光纤传导、容易实现自动化
除CO2激光外，YAG激光、光纤激光、半导体激光及碟片激光等是可以用光纤传导的。用光纤传导激光束的特点是，在传送的过程中激光的能量损失很小，并能传送到很远的地方。所以，在加工的时候，可以将激光器放置于与焊接工位有一定距离地场所，容易实现焊接的自动化和柔性加工。与电弧焊和电阻焊相比较，更易于控制、实现自动化及容易应用于自动生产线中。
2.3 热输入小、冷却速度及凝固速度快， 从小部件到大部件都可以焊接
由于激光焊接热输入小、冷却速度及凝固速度快，所以焊接热影响区小，显微组织微细化。
焊接条件为激光输出功率300 W及焊接速度40 m/min。在上述的焊接条件下，获得了焊缝宽度极窄（50～60μm）且成型美观的焊缝。
通过激光种类的选择、激光输出功率的调节及激光加工头研发等，能够实现从小部件的微细焊接到大型结构件的拼装焊接。使用光纤直径14μm的单模光纤激光，在激光输出功率200W， 焊接速度80m/min的条件下，对板厚为100μm的3枚铜合金进行搭接激光焊接，在超高焊接速度的条件下仍能获得美观的焊缝成型[9-10]。
2.4激光的吸收特性与材质、光波长及温度的关系
对于所有材料而言，波长越长则吸收率越低，而反射率越高；波长越短则吸收率越高，而反射率越低。另外，母材的温度越高对光的吸收率也越高[11-12]。
2.5 等离子体的对激光焊接的影响
在激光焊接过程中，由于激光束的能量密度高，所以金属蒸气和周围气体极易被电离而产生等离子体，其温度大约为8000～15000 K。等离子体中电子吸收激光束能量后将被加速，进一步增强与原子和分子的撞击能量，使等离子体产生量进一步增加，也使等离子体温度进一步上升。由于等离子吸收激光束能量，所以大量产生等离子体时，势必影响熔深。所以对等离子体必须采用有效措施进行消除。另外，由于等离子体产生于工件的表面，所以等离子体主要加热母材的表面，容易使焊缝表面宽度增加[13]。
参考文献
[1] Takeshi Araya. Basis of Laser [J].Welding Technology （in Japanese）， 2005，53（9）， 120-130.
[2] 沓名宗春. 「レーザの科学」[M]. 東京：日本放送出版協会.1993.675.
[3]左铁钏.21世纪的先进制造—激光技术与工程[M].北京：科学出版社. 2007.52.
[4] Takeshi Araya.About Laser （a） [J]. Welding Technology （in Japanese），2005.53-（8）： 117-125。
[5]Takeshi Araya.The Characteristics of Laser Beam Qualit [J]. Welding Technology （in Japanese）， 2005， 53（6） ，122-129.
[6] 沓名宗春.中·高炭素鋼のレーザ溶接における割れ発生機構とその防止 [J] .レーザ加工學会誌， 2004，11（2） ， 10-15.
[7] M. Kutsuna. Proc. of Intern. Conf. on Welding Research[R]， 東京：J. Welding Soc. Osak， 1980.
[8] M. Kutsuna and A. Kiduchi. IIW Doc. IV-597） 93， 1993.
[9] Berthold Kessler. Fibre laser， the I nnovative industrial laser with 10 W to 50 kW power[R]. Halle （Saale） Germany： 7th International conference on beam technology， April 2007.
[10] 沓名宗春， 劉忠傑.2kWファイバーレーザによる高張力鋼の溶接特性及び最新レーザ利用生産システム[R]. 東京： （社）溶接学会第196回溶接法委員会，2006年11月16日.
[11] L. Quintino， A. Costa， R. Miranda， et al. Welding with high power fiber lasers - A preliminary study[J]. Marterials & Design， 2007， 28 （4）：1231-1237.
[12] レーザー学会編.レーザ-プロセシング応用便覧[M].明誠企画株式会社，2006.
[13] Takeshi Araya. .About Laser （b） [J].Welding Technology （in Japanese）， 2005，53（9）， 120-130.
[14] 新井武二，宮本勇.レーザ加工基礎 （上巻） [M].マシニスト出版株式会社，平成5.
[15] 新井武二，沓名宗春，宮本勇.レーザ溶接加工[M].マシニスト出版株式会社，平成8年.
[16] 沓名宗春.中·高炭素鋼のレーザ溶接における割れ発生機構とその防止[J].レーザ加工学会誌， 2004，11（2），P.10-15.
关键词：激光焊接特性；光纤激光器；半导体激光器；碟片激光器
Characteristics of Laser Welding
XU Guojian1 WANG Hong1 CHANG Lili1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2
1School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，
Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， [email protected]
2Shenyang Siasun Robot & Automation CO.， LTD.， NO.16 JinHui Street， HunNan New District， ShenYang 110168， P.P.China， [email protected]
Abstract： In the first place， the article illustrated the wavelength and application of light ，especially illustrated the wavelength and application of laser in details. In the laser welding， firstly introduced laser welding heat—Laser， and its characteristics of output—BPP（Beam Parameter Product）. Secondly， expounded the different kinds characteristics of output—BPP under the different output power. Then based on the several examples of laser welding， elabrated the characteristics of laser welding technology， the problems which is easy to appear during the laser welding and its solving methods. Finally， briefly summarize its development potential.There is a closed relationship between the characteristics of Laser welding and its procedure，therefore， mastered the characteristics of laser welding， established good laser welding process， we could achieve a good welding quality。
Key words： laser welding characteristics； fiber laser； diode laser； disc laser
項目名称：辽宁增材制造产业技术研究院建设
项目编号：17-500-8-05
1.前言
激光是一种电磁波，由于它具有许多自身特殊的性质，所以在工业领域正在被广泛地应用。根据电磁波的波长、名称、激光种类和特征用途，大致归纳总结如表1所示[1]。
激光是通过人工增幅产生的，不是在自然界中自然形成的，它是由美国的C.H. Townes及T. H. Maiman等科学家在1960年开发出来的[2]。因此，激光的语源是英语的LASER，即Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。
从T. H. Maiman科学家们在1960年发明了红宝石激光及A. Javan科学家们发明了He-Ne激光以来，经过10多年后，先进工业国家从70年代开始出现了利用激光加工技术的“光产业工业”，并随着时代的发展大约经历了45年的时间其规模越来越大。例如美国GM公司在1971年利用CO2激光切割点火线圈用绝缘纸。在日本，1983年光产业领域的生产额约4667亿日元，1989年光产业领域的生产额达到了约2兆860亿日元，2005年光产业领域的生产额超过了10兆日元，在经济泡沫的不好时期仍然保持着正增长的趋势。
随着激光技术的不断发展，激光作为一种新型的能源在焊接方面也被广泛的应用。许多过去认为不可能实现的任务，激光能够很好的做到。激光焊接之所以能够在各个行业如火如荼地发展起来，是因为它具有一系列其他焊接方法不可替代的特性[2-16]。
2.激光焊接特性
随着激光焊接技术日益成熟，其应用范围也越来越广。以最为代表性的汽车行业而言，汽车车身的远程激光焊接、汽车零部件的激光—电弧复合焊接、激光钎焊等已经正在替代传统的焊接技术。激光焊接技术之所以被人们认可，是因为激光焊接与电弧焊、电阻焊等这些的焊接热源比较具有很多特性。 2.1激光束的聚焦直径小、能量密度高、焊接精度以及焊接效率非常高、能够实现高熔点材料的焊接
用于激光焊接和切割的能量密度高。普通电弧及等离子弧的热源能量密度为0.2～1.0 kW/mm2，YAG激光的能量密度为14～16 kW/mm2、半导体激光为32 kW/mm2、碟片激光为96 kW/mm2、光纤激光为159 kW/mm2，激光的能量密度远高于电弧及等离子弧热源的能量密度。另外，额定功率300 W单模的FBL激光能达到了4，718 kW/mm2的超高能量密度，在如此高的能量密度下，可以想象完全改变了以往加工特性的理念[6]。
一般情况下，10 kW的光纤激光接合速度相当于60 kW的电子束焊接的接合速度，达到了极高加工能力。这是因为光纤激光的光束质量好而使焦点处的光束直径比电子束直径还小。可以预见在将来的焊接领域，将会进一步扩大激光焊接的应用范围。到2008年底，日本约有100台以上的高输出光纤激光器用于生产及科研等领域[7]。
2.2 激光可以用光纤传导、容易实现自动化
除CO2激光外，YAG激光、光纤激光、半导体激光及碟片激光等是可以用光纤传导的。用光纤传导激光束的特点是，在传送的过程中激光的能量损失很小，并能传送到很远的地方。所以，在加工的时候，可以将激光器放置于与焊接工位有一定距离地场所，容易实现焊接的自动化和柔性加工。与电弧焊和电阻焊相比较，更易于控制、实现自动化及容易应用于自动生产线中。
2.3 热输入小、冷却速度及凝固速度快， 从小部件到大部件都可以焊接
由于激光焊接热输入小、冷却速度及凝固速度快，所以焊接热影响区小，显微组织微细化。
焊接条件为激光输出功率300 W及焊接速度40 m/min。在上述的焊接条件下，获得了焊缝宽度极窄（50～60μm）且成型美观的焊缝。
通过激光种类的选择、激光输出功率的调节及激光加工头研发等，能够实现从小部件的微细焊接到大型结构件的拼装焊接。使用光纤直径14μm的单模光纤激光，在激光输出功率200W， 焊接速度80m/min的条件下，对板厚为100μm的3枚铜合金进行搭接激光焊接，在超高焊接速度的条件下仍能获得美观的焊缝成型[9-10]。
2.4激光的吸收特性与材质、光波长及温度的关系
对于所有材料而言，波长越长则吸收率越低，而反射率越高；波长越短则吸收率越高，而反射率越低。另外，母材的温度越高对光的吸收率也越高[11-12]。
2.5 等离子体的对激光焊接的影响
在激光焊接过程中，由于激光束的能量密度高，所以金属蒸气和周围气体极易被电离而产生等离子体，其温度大约为8000～15000 K。等离子体中电子吸收激光束能量后将被加速，进一步增强与原子和分子的撞击能量，使等离子体产生量进一步增加，也使等离子体温度进一步上升。由于等离子吸收激光束能量，所以大量产生等离子体时，势必影响熔深。所以对等离子体必须采用有效措施进行消除。另外，由于等离子体产生于工件的表面，所以等离子体主要加热母材的表面，容易使焊缝表面宽度增加[13]。
参考文献
[1] Takeshi Araya. Basis of Laser [J].Welding Technology （in Japanese）， 2005，53（9）， 120-130.
[2] 沓名宗春. 「レーザの科学」[M]. 東京：日本放送出版協会.1993.675.
[3]左铁钏.21世纪的先进制造—激光技术与工程[M].北京：科学出版社. 2007.52.
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[5]Takeshi Araya.The Characteristics of Laser Beam Qualit [J]. Welding Technology （in Japanese）， 2005， 53（6） ，122-129.
[6] 沓名宗春.中·高炭素鋼のレーザ溶接における割れ発生機構とその防止 [J] .レーザ加工學会誌， 2004，11（2） ， 10-15.
[7] M. Kutsuna. Proc. of Intern. Conf. on Welding Research[R]， 東京：J. Welding Soc. Osak， 1980.
[8] M. Kutsuna and A. Kiduchi. IIW Doc. IV-597） 93， 1993.
[9] Berthold Kessler. Fibre laser， the I nnovative industrial laser with 10 W to 50 kW power[R]. Halle （Saale） Germany： 7th International conference on beam technology， April 2007.
[10] 沓名宗春， 劉忠傑.2kWファイバーレーザによる高張力鋼の溶接特性及び最新レーザ利用生産システム[R]. 東京： （社）溶接学会第196回溶接法委員会，2006年11月16日.
[11] L. Quintino， A. Costa， R. Miranda， et al. Welding with high power fiber lasers - A preliminary study[J]. Marterials & Design， 2007， 28 （4）：1231-1237.
[12] レーザー学会編.レーザ-プロセシング応用便覧[M].明誠企画株式会社，2006.
[13] Takeshi Araya. .About Laser （b） [J].Welding Technology （in Japanese）， 2005，53（9）， 120-130.
[14] 新井武二，宮本勇.レーザ加工基礎 （上巻） [M].マシニスト出版株式会社，平成5.
[15] 新井武二，沓名宗春，宮本勇.レーザ溶接加工[M].マシニスト出版株式会社，平成8年.
[16] 沓名宗春.中·高炭素鋼のレーザ溶接における割れ発生機構とその防止[J].レーザ加工学会誌， 2004，11（2），P.10-15.