D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.05.046 第25卷第5期 北京科技大学学报 VoL25 No.5 2003年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2003 提高Nd:YAG固体激光加工系统焊接质量 王文献王长松柯萍李文斌曲开宏 奚艳玲 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要在使用现有Nd:YAG固体激光加工系统进行激光焊接时，易产生某些加工缺陷.针 对这些缺陷的产生机理进行了分析，并提出了相应的改进措施来避免或减少这些缺陷的产 生，实验表明，通过改变激光束的入射角度、增加侧喷嘴喷气保护等改进措施，可以有效地提 高焊接质量并延长系统中光学元器件的使用寿命， 关键词Nd:YAG固体激光：激光焊接：光致等离子体：主喷嘴：侧喷嘴 分类号TG456.7 激光加工技术已广泛应用于汽车、电子、电 器、航空、冶金、机械制造等工业.我国对激光加 光吸收池 激光 工技术的研究大多是针对CO2气体激光器进行 的，而对较新型的Nd:YAG固体激光器进行激光 聚焦镜片 加工的研究尚少a.但在使用1kW大功率Nd: 保护镜片 YAG连续式固体激光加工系统进行激光焊接时， He-Ne准直光 激光束 难免产生~些加工缺陷.本文针对这些缺陷的产 生机理进行了分析，并提出了相应的改进措施以 避免或减少这些加工缺陷的产生 工件 工作台 X 1加工过程缺陷及其分析 图1激光加工原理示意图 Fig.1 Schemtic of laser processing principle 1.】加工过程缺陷 裂损坏，影响了激光加工的正常进行. 激光加工原理如图1所示，它是利用垂直入 对焊接过程及激光加工系统展开进一步检 射到工件表面的激光束产生的高密度能量对工 查后可以发现：焊接过程中，工件表面被加工部 件进行加工的一种非接触式加工方法.其功率密 位激光能量不够高：焊缝处熔融金属易产生飞 度高达0.l-10MWcm2,故能以较高的速度进行 溅；保护镜片的平均使用寿命小于10h,有时甚 加工，并能有效地防止加工过程中杂质的带入. 至仅为十几分钟，且在破裂镜片的中心部位出现 但若不注意对激光加工系统结构进行优化，焊接 了红黄色羽状物， 过程中就可能产生下列加工缺陷： 12缺陷分析 (1)焊缝和基体间的热影响区出现严重的咬 激光作用于材料表面，当激光能量密度超过 边现象：焊接深宽比甚至小于2（激光焊接中深宽 某一阈值时，就会激发金属蒸发原子或诱导大气 比下限)：难以焊透厚度大于1mm的板材：焊缝 元素电离：电离过程达到一定浓度后形成等离子 处金属呈微凹状态，影响焊缝的拉伸强度， 体.等离子体对入射激光有吸收、散射作用，在某 (2)位于激光头聚焦镜片与工件间的保护镜 些情况下甚至完全阻隔激光到达工件表面，使焊 片，可以防止焊接时产生的飞溅物对案焦镜片造 接过程无法进行下去，另外，等离子体的折射和 成污染，对聚焦镜片起到保护作用.但其频繁破 散焦作用，可以影响投射到工件表面的激光光斑 大小，使光斑直径变大以及微光功率密度降低， 收稿1川期200206-25王文献男，24岁，硕士研究生 从而影响焊缝金属的熔化，导致加工效率和焊接第 5卷 第2 5期 030 年2 一 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u a r n l o U f . i e招 v i y t o s f e i e e e a n n 饱 d l c卜 n lo 盯 o B ie j i n g 匕 5V L2 N o . 5 o e 0 0L3 2 提高 N :dY A G固体激光加工系统焊接质量 王 文 献 王 长松 柯 萍 李文 斌 曲 开 宏 奚艳 玲 北京科 技大 学机械 工程 学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 在使 用现 有 N :d Y A G 固体激 光加 工 系统进 行激 光焊 接 时 , 易产 生某 些 加工 缺 陷 . 针 对 这些 缺 陷的产 生机 理进 行 了分析 , 并提 出 了相 应 的改进 措施 来避 免 或减少 这 些缺 陷的 产 生 . 实验 表 明 , 通 过 改变激 光束 的入射 角 度 、 增 加侧 喷嘴 喷气保护 等改进 措施 , 可 以有 效地 提 高焊 接质 量 并延 长 系统 中光学 元器 件 的使用 寿命 . 关键 词 N d : YA G 固体 激光 ; 激 光焊接 : 光 致等 离子 体 ; 主 喷嘴 ; 侧 喷嘴 分 类号 T G 4 5 6 · 7 激光 加 工技 术 已广 泛 应用 于 汽车 、 电子 、 电 器 、 航 空 、 冶 金 、 机 械 制造 等 工 业 . 我 国对 激 光 加 工 技 术的研 究大 多 是针 对 C 认 气 体激 光 器 进行 的 , 而 对 较 新型 的 N :d Y A G 固 体激 光 器进 行 激光 加工 的研 究 尚少 `l :2J 但在 使 用 I kw 大 功率 N :d YA G 连续 式 固体激 光 加工 系统进 行激 光焊 接 时 , 难 免产 生一 些加 工 缺 陷 . 本 文针 对这 些缺 陷 的产 生 机理 进行 了分 析 , 并 提 出 了相 应 的改进 措施 以 避 免 或减 少这 些 加 工 缺 陷 的产 生 . 聚焦镜片 H e we N e 准直光 保护镜片 激光束 工件 1 加 工 过程 缺 陷及 其 分 析 .l 加 工过 程 缺 陷 激 光 加 工 原 理 如 图 1 所 示 , 它是 利用 垂 直入 射 到 一 _ 「件 表 面 的激 光 束 产 生 的 高密 度 能 量 对 工 件 进 行加 工 的一种 非接触式 加 工方 法 . 其功 率密 度 高 达 0 . 1一 10 M W/ c耐 , 故 能 以较 高 的速 度进 行 加 工 , 并 能有效 地 防止 加工过 程 中杂质 的 带入`31 . 但 若 不注 意对激 光 加工 系统 结构 进行 优 化 , 焊接 过 程 中就 可 能产 生 下 列加 工缺 陷 : ( l) 焊 缝 和基 体 间 的热 影 响 区 出现 严 重 的咬 边现 象 ; 焊 接深 宽 比甚 至 小于 2( 激光 焊接 中深 宽 比 下 限 ) ; 难 以焊 透厚 度 大 于 l m m 的板材 ; 焊 缝 处 金属 呈 微 凹 状 态 , 影 响焊 缝 的拉 伸 强度 . (2 ) 位 于激 光 头聚 焦 镜 片与 工件 间 的保 护 镜 片 , 可 以防 止焊 接 时产生 的 飞溅物 对聚 焦镜 片造 成污 染 , 对 聚 焦镜 片起 到保 护 作用 . 但 其频 繁破 收稿 日 期 20 02 刁尔25 王 文献 男 , 24 岁 , 硕 士研 究生 工作台 一 X 图 1 激光 加工 原理 示 愈图 F ig . 1 S e h e m ict o f al se r P功c es s i n g p ir o e i Ple 裂损 坏 , 影 响 了激 光 加 工 的正 常进 行 . 对 焊 接 过 程 及 激 光 加 工 系 统 展 开 进 一 步 检 查后 可 以发现 : 焊接 过 程 中 , 工件 表 面 被加 工 部 位激 光 能量 不 够 高 ; 焊 缝 处熔 融金 属 易产 生 一 飞 溅 ; 保护 镜 片 的平 均使用 寿命 小 于 10 h , 有 时甚 至 仅 为十 几分 钟 , 且在 破裂 镜片 的中心 部位 出现 了红 黄色 羽 状物 . L Z 缺 陷 分析 激 光作 用 于材 料表 面 , 当激 光能 量 密度超 过 某 一 闽值 时 , 就 会激 发 金属 蒸发 原 子或 诱导 大气 元 素 电离 ; 电离 过程 达 到一 定浓 度后 形 成等 离子 体 . 等 离子 体对 入射激 光 有吸 收 、 散射 作用 , 在某 些情况 下甚 至完 全 阻隔激 光 到达 工件表面 , 使 焊 接 过程 无法 进 行 下 去 . 另外 , 等 离 子体 的折 射 和 散焦作用 , 可 以影响投 射 到工 件表 面 的激 光光斑 大 小 , 使 光斑 直径 变 大 以及 激 光功 率 密度 降 低 , 从而 影 响焊缝 金属 的熔 化 , 导 致加 工效 率和 焊接 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 05. 046