激光焊接的幾個概念——激光加工

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前言：

任何物質均是由分子 原子組成，進一步分析，在原子里存在電子 質子中子等微粒子，電子繞原子核轉動距離的不同，可以把原子分成不同的能級。通常把原子處在最低的能級狀態稱為基態；能級比基態高的狀態稱為激發態。處於激發態的原子，在沒有外界信號作用下，自發地躍遷到低能態時產生的光輻射，稱之為自發輻射。原處於高能級E2的粒子，受到外界能量為（如光照射）的光子的激勵，發出與入射光子相同的一個光子而躍遷到低能級E1其輻射出的光子頻率由兩個能級間的能量差來決定，即hν=E2 －E1。

原子獲得能量後處於不穩定狀態（也就是激髮狀態），它會以光子的形式把能量發射出去。這種通過受激輻射光擴大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）就是激光名字的由來，激光，就是被引誘（激發）出來的光子隊列，光學特性一樣，步調極其一致。

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激光產生

光的受激輻射的放大條件，激勵能源——把介質中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去；增益介質——能在外界激勵能源的作用下輻射光子狀態。

光是受根據受激物質的不同可分為固體激光氣體氣體。

YAG激光：

固體激光，又稱Nd.YAG ，來自(Neodymium-dopedYttriumAluminiumGarnet; Nd：Y3Al5O12)或中文稱之為摻釹的雜釔鋁石榴石晶體，可激發脈衝激光或連續式激光，發射之激光為紅外線波長 1.064μm。

光纖激光：

固體激光，（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖（SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維）作為增益介質的激光器，按激光輸出波長的波段分類為S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm)。

CO2激光：

氣體激光，CO2激光器中，主要的工作物質由CO，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體，放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由於受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發出激光。

碟片激光 ：

固體激光 ，(Disk Laser)，又稱圓盤激光器，它與傳統的固體激光器的本質區別在於激光工作物質的形狀。將傳統的固體激光器的棒狀晶體改為碟片晶體，這一創新理念將固體激光器推向了一個新時代。碟片激光器以其極佳的光束質量和轉換效率在工業製造業中得到了日益廣泛的應用。

半導體激光器(Diode Laser)：

以一定的半導體材料做工作物質而產生激光的器件。.其工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡載流子的粒子數反轉，當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時，便產生受激發射作用，常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)。

(１)單色性　激光具有其他光源的光所難以達到的、極高的單色性。

(２)方向性　激光束的方向性好，即光線的發散度小。

(３)相干性　相干性是區別激光與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樣，可以通過凸鏡或金屬反射鏡加以聚焦。

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激光的比較

最大輸出功率方面：

1）.光纖激光器達到50kw,

2）YAG固體激光器為6kw，

3）CO2激光器達到20kw,

4）碟片激光器達到8kw。

使用比較：

1）YAG激光器輸出的波長為1.06um，恰好比CO2激光波長10.06μｍ小一個數量級，因而使其與金屬的偶合效率高、加工性能良好（一台800W YAG激光器的有效功率相當於3KW CO2激光功率）；

2）YAG激光器能與光纖偶合，藉助時間分割和功率分割多路系統能方便地將一束激光傳輸給多個工位或遠程距離工位，便於激光加工實現柔性化；

3）YAG激光器能以脈衝和連續兩種方式工作，其脈衝輸出可通過調Q和鎖模技術獲得短脈衝及超短脈衝，從而使其加工範圍比CO2激光更大；

4）YAG激光器結構緊湊、重量輕、使用簡便可靠、維修要求較低，故其應用前景看好。

光纖激光器的優勢：

1、光纖激光切割機光電轉換率高，綜合電光效率高達20%以上，能夠大幅度地節約運行成本；

2、光纖激光器具有免調節、免維護、高穩定性的優點；

3、光纖激光器使用壽命長，而且維護比較簡單；

4、結構簡單、體積佔地面積小。

光纖激光器的缺點：

1、相位穩定性不容易做好；

2、不能切割非金屬材料和厚板金屬。

BPP（4/5Kw）方面：

Beam Parameter Product (光束參數乘積遠場發散角半形×近場光束半徑)

1）光纖激光器小於2.5，

2）YAG固體激光器為25左右，

3）CO2激光器達到6，

4）碟片激光器為8左右。

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半導體泵浦壽命方面：

1）光纖激光器可連續工作10萬小時以上。

2）YAG固體激光器可工作1000小時左右、

3）CO2激光器預計在5萬小時左右、

4）碟片激光器壽命大約為1萬小時左右。

維護和操作費用/小時（4/5Kw)方面：

1）光纖激光器每小時￥2

2）YAG固體激光器每小時￥35

3）CO2激光器每小時￥20

4）碟片激光器每小時￥8

光纖激光是近幾年來得到快速發展的固體激光器，其激光器結構獨特並且創新。輸出激光功率達25kW以上的高質量光束。因結構緊湊、維護簡單、運行可靠，已表現出良好的應用勢頭，在相當多的領域正在逐步替代傳統的Nd:YAG激光和CO2激光器。

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應用

１)切割速度快，熱影響區小，工件被切部位的熱影響層的深度為０.０５～０.１ｍｍ，因而熱畸變形小。

２)割縫窄，一般為０.１～１ｍｍ，割縫質量好，切口邊緣平滑，無塌邊，無切割殘渣。

３)切邊無機械應力，工件變形極小。

４)無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，切割過程易於實現自動控制。

５)激光束聚焦後功率密度高，能夠切割各種材料，如高熔點材料、硬脆材料等。

６)可在大氣中或任意氣體環境中進行切割，不需真空裝置。

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LBW: laser beam welding（激光束焊接）

１)激光能量密度高，這對高熔點、高熱導率材料的焊接特別有利。

２)焊縫深寬比大，比能小，熱影響區小，焊件變形小，故特別適於精密、熱敏感部件的焊接，常可以免去焊後矯形、加工工藝。

３)一般不加填充金屬。

４)激光可透過透明體進行焊接，以防雜質污染和腐蝕，適用於真空儀器元件的焊接。

５)焊接系統具有高度的柔性，易於實現自動化。

來源：百家號

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