材料加工新技术 激光焊.pdf

激光焊及其他激光加工技术 上课时间：第四周-第六周 学时数：6 个学时 重点： 1. 激光焊接基本原理 2. 激光焊的工艺 3. 激光复合焊接 难点： 1. 激光的产生过程、特点及其在加工中的应用 2. 激光焊原理 3. 激光复合焊 课堂讨论： 1. 激光是什么？激光如何产生？ 2. 激光有什么特点？ 3. 激光有哪些用途？激光用在材料加工（尤其是焊接）上，有哪些优势？ 1. 激光的基本概念 1.1 激光的概念 激光的英文单词为 Laser ，其实它是以下英文短语的首字母：“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ”。激光这个外来词在进入中国的 时候，它的中文意思是“通过射线的受激发射形成的光放大”，为了称呼上的方 便，简称为“激光”。另外，还有“镭射”的翻译。 1.2 激光的产生原理 爱因斯坦发现，物质中的粒子在受到光的辐射时，会产生光的受激吸收，如 图1 所示。光的受激吸收指的是处于较低能级E1 的粒子由于吸收能量为hν=E2 - E1 的外来光子而从E1 跃迁到较高的能级 E2 上去的过程，光子的辐射能被粒子 所吸收，变成粒子的内能。 图1 光的受激吸收示意图 由于粒子在高能态下不稳定，会发生从高能级向低能级的跃迁过程，存在光 的受激辐射现象，如图2 所示。光的受激辐射指的是当原子受外来的能量为hν 的光子激励下，从高能级跃迁到低能级时，原子发射一个与外来光子一模一样的 光子的过程。这里指的一模一样包括光子的频率、传播方向、偏振方向及相位。 图2 光的受激辐射示意图 激光的产生原理如图3 所示。采用激励能源将激光活性物质激励至高能态， 即使得处于高能级的粒子数量大于处于低能级的粒子数量，该种状态称为“粒子 数反转”。在这种状态下，光的受激辐射强于光的受激吸收，受激辐射占主导地 位。由此，产生的受激辐射的光在谐振腔的反射镜作用下，在谐振腔中做往复传 播，光子的数量不断增多，与谐振腔的轴向相互平行的光束得到了增强，而不平 行的光束则离开了谐振腔。最终，在谐振腔中往复传播的光子的频率、传播方向、 偏振方向、相位都高度一致。当光束离开谐振腔时，得到了频率、传播方向、偏 振方向和相位高度一致的光束，即光通过介质后得到了加强，成为了激光。 图3 激光产生的原理图 1.3 激光的特点 激光具有以下特点： • 亮度高，能量密度大 • 方向性好 • 单色性好，频率（波长）一致 • 相干性好 图4 为激光与自然光在波长（频率）上的对比。 图4 激光与自然光在频率上的比较 1.4 激光器的种类 由激光产生的原理可以看到，激光器产生激光，必须具备三个基本部分：工 作物质、谐振腔和激励能源。激光器一般按产生激光工作物质的不同来进行分类， 包括：  固体激光器：如红宝石激光器、Nd：YAG 激光器等。  气体激光器：如He-Ne 激光器、CO2 激光器  半导体激光器  液体激光器  化学激光器  自由电子激光器 目前，固体激光器和气体激光器已经获得了广泛应用。 固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质中，其浓度比气体大，它输出 的波长为1. 06μm。气体激光器以气体或金属蒸气作为工作介质，产生平均为10. 6μm 的红外激光，连续工作并输出很高的功率。一台800W 的Nd: YAG 激光器的 有效功率相当于3kW CO2 激光器的功率。 随着现代制造技术的发展，激光器的功率不断提高，图5 为激光器功率的发 展过程示意图。 图5 激光器功率的发展过程 1.5 激光的能量特征 对激光光束的能量分布通常采用横模和纵模来描述。横模描述的是激光场强 在横向(光轴横截面)上的分布特征 TEMmn （m、n：分别为两个垂直方向出现暗 线的次数）。图6 为激光横模