激光与物质相互作用综述分析毕业设计.doc

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1、 安徽工业大学本科毕业设计(论文)任务书课题名称激光与物质相互作用分析学 院专业班级姓 名学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：主要内容：研读激光与物质相互作用论文，对激光加热，应力损伤，加工等过程进行学习分析，完成论文归纳总结。本论文主要是研读激光与物质相互作用的书籍和文献，对激光加热，应力损伤，加工等过程进行学习分析，通过对自己的学习分析，总结激光在加工上的原理及应用，并完成论文的归纳总结。 要求：1.具有查阅相关文献的能力； 2.完成激光在不同方向应用的相关归纳总结工作； 3.对所查阅文献进行分析整理，完成相关工作，学生需自备计算机。 指导教师签字： 激光与物质相互作用综述分析 摘 要

2、 本文主要讲激光与物质热效应和激光对物质的加工,以及此过程中产生的热应力。回顾近代的科技发明，激光器的诞生无疑是一个的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发展阶段。激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，将激光束照射到工件的外表，以激光的高能量来切除、熔化质料以及转变物体外表性能。而且激光束的能量和光束的移动速率均可调治，所以激光加工可应用于任意层面和领域上。由于激光加工热影响区域小，光束方向性好，几乎可以加工任何材料。由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成

3、形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。激光几乎能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。而且激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，与此同时，激光加工过程中产生的热应力损伤和能量转换效率问题也会给生产带来一定困扰。本文分别从激光加工技术的原理及其应用综合品评了激光加工较传统加工技术的优劣性,说明其在制造行业中

4、的作用。关键词：激光加热 激光加工 焊接 打孔 切割 ABSTRACT This article is mainly about the laser and the material thermal effects and laser material processing, and this thermal stress generated in the process. Recalling modern technological inventions, the birth of the laser is undoubtedly one of the highlights, the las

5、er is its unparalleled technical advantages Following microelectronics technology, science and technology to promote human development into a new phase. Laser processing is the use of a laser beam is projected onto the surface of the material to complete the effect of heat generated during processin

6、g, the laser beam is irradiated to the workpiece appearance, with high-energy laser to cut, the molten material and the appearance properties of the object changes. And the laser beam energy and beam moving speed can be modulating, the laser processing can be applied to any level and areas. Because

7、the laser processing heat affected zone is small, light, good direction, almost any material can be processed. As a special feature of laser processing, and its development prospects, has been widely used in laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, cutting, rapid prototypin

8、g, laser drilling and dicing the substrate, a semiconductor processing. Laser can adapt to almost any material, processing and manufacturing, especially in some special accuracy and requirements, special occasions and special materials processing and manufacturing plays an irreplaceable role. And be

9、cause the laser has a monochromatic coherent and parallelism three characteristics, especially for materials processing. Controlling the laser space and time controlled well, the material of the object to be processed, shape, size and processing environment of freedom are large, especially suitable

10、for automated processing. Laser processing systems and computer numerical control technology combined with efficient automated processing equipment may constitute, timely production enterprises have become the key technology, at the same time, laser processing thermal stress generated in the process

11、 and energy conversion efficiency of injury problems will bring to production certain problems. This paper from the laser processing technique and its application of integrated tasting laser processing advantages and disadvantages compared to traditional processing techniques, indicating its role in

12、 the manufacturing industry.Keywords: laser heating, Laser processing, welding, drilling, cutting 目 录 第1章 绪 论71.1激光与物质相互作用综述简述81.2 课题的来源81.3本课题的研究思路与研究方法91.4 本章小结10第2章 激光加热物质112.1 加热原理112.2 激光热蒸发122.3 物质的熔化与汽化132.3 激光等离子体屏蔽现象142.4 本章小结14第3章 激光与物质作用的热应力153.1激光与物质作用热应力的定义153.2 产生热应力的原因15 3.3热应力的主要特点15

13、 3.4热应力的计算15 3.5热应力损伤183.5 本章小结18第4章 激光加工19 4.1 激光切割194.1.1激光切割原理 194.1.2激光切割的分类194.1.3 激光切割的特点204.1.4 激光切割的应用 21 4.2 激光焊接214.2.1 激光焊接原理 224.2.2激光焊接分类244.3.3激光焊接优点和局限性244.3.4 激光焊接应用25 4.3 激光打孔274.3.1 激光打孔原理274.3.2 激光打孔分类 274.3.3 激光打孔特点 28 4.3.4 激光打孔应用31 4.4本章小结31第5章 总结与展望325.1 课题的总结325.2 课题的展望32致谢33

14、参考文献34附录1英文原文36附录2英文翻译44第1章 绪 论1.1激光与物质相互作用综述简述 激光与物质相互作用综述，主要是研读激光与物质相互作用的书籍和文献，对激光加热，应力损伤，加工等过程进行学习分析，通过对相关书籍和文献的学习，总结激光在加工上的原理及应用。1.2课题来源 作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。如下图，激光加工的

15、一些实例： 图1-1.激光加工出来的工艺品 图1-2.激光在钢板打孔 图1-3.激光切割工程图激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70%和20%，表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50%）和切割（15%）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了7080%。我国激光加工中以切割为主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW2kW范围内，而以热处理为主的约占15%，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景1-2。如下图，工业用稳定激光器： 图1-4.适用性能高及稳定的激光加工器在汽车工

16、业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型

17、，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具3，如下图，激光加工打标机：图1-5.汽车加工激光打标机 80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kW级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用4-5，如下图，YAG激光器加工出来的部件：图1-6.YAG激光器加工出来的部件目前，国外激光打孔主要

18、应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400W提高到了800W至1000W。打孔峰值功率高达3050kW，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中，如下图，激光加工出来的工艺品：图1-7.激光打孔技术加工出来的工艺品 所以对于应用越来越广泛的激光加工技术，国内很多企业都在开发新一代工业激光器及其应用装备，随着中国由制造业大国向制造

19、业强国转变，激光加工技术越来越受到制造业的重视，国内大型、重型企业也越来越关注激光加工设备的进展，对激光加工的研究就非常有意义6。1.3本章小结 本章主要介绍课题的大概范围和课题来源，也包括激光加工在国内外的发展情况，从而引出课题，确定本课题的研究的方向，继而展开下面具体的论述。第2章 激光与物质作用的热效应原理 激光加工就是以激光为热源对工件进行热加工，所以无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。如图，激光束投射到物质表面： 图1-8.激光束投射到物质表面 由于激光的高能量特性 ，激光束在材料的热处理、 焊接、 切割、 加工等方面应用广泛。激

20、光加热物体时，物体产生的热学与力学效应有升温 、 熔化、 汽化 、 破坏等 分析激光对物体的热力学效应，在理论计算中由于热传导方程的复杂性， 往往要假定半无限大介质平板，与外界无热交换的绝热边界条件 ， 物体的热传导系数、 比热容、 密度、 物体对激光的吸收系数不随温度而变等苛刻条件 2.1 物质对激光的吸收 激光热加工时，首先发生的是材料对激光能量的吸收。对材料起加热作用的主要是透入材料内部的光能，而且不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 （2.1.1）当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，则有反射率为 （2.1.2）2.2物质的加热 假设入射激

21、光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有 （2.2.1） 激光从表面入射到材料内部深度z处的光强为，一般我们将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，则可得穿透深度为1/a 。为了得到加热阶段的温度分布，则须求解热传导微分方程，对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为: （2.2.2） 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 （2.2.3） 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十分困难,但是可以简化一下：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面

22、受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 （2.2.4） 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为 （2.2.5） 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 （2.2.6）持续加热得到光斑中心的温度最大值为 （2.2.7） 2.3物质的熔化与汽化 激光加工时功率密度过高，材料会在表面汽化，不在深层熔化；激光加工功率密度

23、过低，能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小。在激光深熔焊接中，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，此时金属会熔化并立即汽化，如图： 图2-1.激光加热导致的物质熔融2.4激光等离子体屏蔽现象 激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合7。如下图： 图2-2.激光产生的等离子体屏蔽现象2.5本章小结 本章主要讲了激光与物质作用的原理，从物质对激光的吸收和物质的加热两个方面讲述了激光如何与物质进行热作用的，为

24、下面的激光在现实中的应用打下理论基础。第3章激光与物质作用的热应力3.1激光与物质作用热应力的定义 所谓热应力，是指半成品干燥和烧成热加工中由于温差作用而产生的一种应力.激光加工过程中被加热的物质热膨胀然后迅速冷却到低温收缩而产生的内应力就是激光与物质作用的热应力。在很多地方，热应力又称为温度应力，只要有温度变化，就会产生材料内部热应力的变化。3.2产生热应力的原因(1)结构体构件的热膨胀或收缩受到外界约束 。(2)结构体构件之间的温差 。(3)结构体内某一构件中的温度梯度 。(4)线膨胀系数不同材料的组合。(5)材料内部夹杂。(6)材料的各向异性。3.3热应力的主要特点 热应力随约束程度的增

25、大而增大。由于材料的线膨胀系数、弹性模量与泊桑比随温度变化而变化，热应力不仅与温度变化量有关，而且受初始温度的影响。 热应力与零外载相平衡，是由热变形受约束引起的自平衡应力，在温度高处发生压缩，温度低处发生拉伸形变。 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。对于塑性材料，热应力不会导致构建断裂，但交变热应力有可能导致构建发生疲劳效应或塑性变形累积。3.4热应力的计算 当物体温度发生变化时，物体将由于膨胀而产生线应变T，其中为材料的线膨胀系数，T表示弹性体内任意点的温度改变值(从整个物体处于初始均匀温度状态算起)。在平面问题中，它是坐标x、y及时间t的函数。如果物体各部分的热变形不受

26、任何约束，则虽有变形却不会引起应力。但是，如果物体各部分的温度不均匀，或表面与其他物体相联系，即受到一定的约束，热变形不能自由地进行，就将产生应力。 热应力问题与一般应力分析问题相比较，主要是应力一应变关系上稍有差别。如果考虑到热应力物理方程将具有以下形式： （3.4.1）其中，0为由于温度变化引起的变形 （3.4.2）式中，a 为材料的线膨胀系数，T 为温度的变化。 将式代入即可写成： （3.4.3） 对于平面应力问题，其中 对于平面应变问题，其中 于是，如果考虑到热应力，弹性体内应力的虚应变能将为 （3.4.4）代入最小势能原理的表达式，应当是 （3.4.5）也即是： （ 3.4.6）上式

27、左边第二项是由于考虑温度变化而增添出来的，它在上式中是处于节点力的地位，相当于考虑温度变化而施加于节点的一个假想的等效节点力，称为热载荷 （3.4.6）对于平面应力问题将式代入得 （3.4.7）将= (i,j,m) 和平面应力弹性矩阵 代入上式，得 （3.4.8）如果温度T的分布函数为已知时，上式中的积分总可用数值积分求得。特别是当T是x,y的多项式时，则容易写出精确积分的表达式。对于为线性分布时，则有 （3.4.9） 其中、分别为节点i,j,m处的温度。在此情况下，热应力的等效节点载荷列阵为 （3.4.10）根据节点位移计算单元应力就有 （3.4.11）对于平面应变问题的公式，只要在平面应力

28、问题的公式中用代替，代替以及替便可得到。经过这样的替换以后，等效节点热载荷的公式为： （3.4.12）应力的公式为 （3.4.13）3.5热应力损伤 当被加热的物质经过反复加热和冷却时，其内部就会产生交变热应力，在此交变热应力的反复作用下，特别是一些金属零部件，会产生热疲劳现象，从而导致裂纹萌生和扩展；激光加工过程中也会有热量的交替变换，所以会使被加工的材料产生应力损伤。如图所示：图3-1.高温热疲劳20次后的组织 图3-1为热疲劳后的显微组织照片。从照片可知， 热疲劳后还出现了微孔洞。此外， 因循环中的热应力和相含量改变带来的体积内应力， 使得位错、 孪晶等生成的几率增加。合金的电阻增加正是

29、由于这些变化引起的， 此外， 出现的微孔洞、 晶粒内和相界处的损伤， 都将减少材料的有效承载面积， 也使原子间结合力减弱， 最终将导致弹性模量的下降， 从而使弹性模量表征的损伤量增大，出现应力损伤的现象8。3.6本章小结本章主要讲了激光与物质作用的过程中的热应力方面的知识，对物质与激光热作用中的热效应的定义和原理，以及热效应的特点都进行了介绍，最后分析了热应力的计算方法和热应力对加工物体造成的损伤，为下文激光在现实加工过程中会出现的热应力损伤打下理论基础。第4章 激光加工4.1：激光切割4.1.1激光切割原理 激光切割是利用聚焦后的高功率密度的激光束照射工件材料表面，在极短时间内将光斑区的温度

30、迅速升高到材料的熔点或沸点，致使材料迅速熔化或汽化。当激光束沿着设定路径移动时，激光聚焦光斑与材料不断地相互作用，形成所需的割缝。另外在激光切割过程中，利用辅助气体可起到助切、吹渣和冷却的作用9。 原理如下图所示： 图4-1.激光切割原理图4.1.2激光切割的分类（1）汽化切割 利用一定功率密度的激光束照射工件表面，使照射区迅速被加热到材料的汽化温度（沸点），部分材料以蒸汽形式逸去，形成割缝，功率密度一般为 108W/cm2数量级。 如下图： 图4-2.激光切割（2）熔化切割 利用一定功率密度的激光加热工件使之熔化，形成孔洞，同时依靠与光束同轴的非氧化性辅助气流吹除孔洞内的熔融物，形成割缝，其

31、功率密度约为汽化切割的1/10。 （3）氧助熔化切割 当激光将工件加热至其燃点时，借助氧气等活性气体使材料燃烧，燃烧反应放出热量，与激光能量一起切割材料。如图所示： 图4-3.激光助氧熔化切割（4）控制断裂切割 通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料局部产生热梯度，随之引起严重的机械变形和高的机械应力，使材料被切断，形成割缝10-11。 4.1.3激光切割的特点 与常规切割方法相比，激光切割主要特点是切割质量好，切割速度快，清洁、安全、无污染。具体表现为： （1）与其他热切割方法相比，激光束能集中在极小区域，切缝窄，精度高，切口表面粗糙度小，热影响区小、变形小，激光能切割非金属，其他的热切割则不

32、能。 （2）与机械冲压加工相比，激光切割过程中只需要定位、不需要夹紧，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件，所以没有经常性磨刃和更换等困难，如图所示，激光的无冲压切割： 图4-4.激光切割工程图 （3）切割范围广。加工对象有各种金属、非金属材料。 （4）切割效率高。 （5）节省材料（约1530%）。 （6）切割环境好，没有强辐射、噪音和污染等。4.1.4激光切割的应用 目前，激光切割技术已广泛应用于各种轻、重工业，如电子、汽车、航空航天、军工等，还应用到医学、通讯，甚至娱乐业。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切

33、割不仅适用于碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料，还适用于木材、塑料等有机材料，特别适合于石英、陶瓷等硬、脆的无机材料。除此之外，还可以切割部分复合材料12。4.2.激光焊接4.2.1激光焊接原理 激光焊接的基本过程是使用经光学系统聚焦后具有高功率密度的激光束照射到焊接材料表面，利用材料对光能的吸收来对其进行加热、熔化，再经过冷却结晶而形成焊接接头的一种熔化焊过程13。按激光器输出能量的方式不同，激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊，按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。如图，激光焊接的原理：图4-5.激光焊接示意图4.2.2激光焊接分类1）激光传热焊采用的激光器光斑上的

34、功率密度小于105W时，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，是金属表面温度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区逐渐扩大，凝固后形成焊点或焊缝，近似形成一个半球形的其熔深轮廓。（由于激光光斑上的功率密度小，而且很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，所以材料表面温度只能达到材料的汽化温度，焊接熔深浅，焊接速度慢，这种加热方法受到材料汽化温度和热导率的限制，主要用于薄(1mm左右)、小零件的焊接加工。）2）激光深熔焊当激光光斑上的功率密度足够大时（大于等于106W/cm2）,金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的

35、时间内升高到沸点，是金属熔化和汽化。当金属汽化时，所产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的溢出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个凹坑。当光束在小孔底部继续加热汽化时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金属是小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸汽将熔化的的金属挤向熔池四周。这个过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的空洞。当光束能力所产生的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊14。图4-6.激光深熔焊原理图 （激光焊过程中还会产生小孔效应、等离子体

36、屏蔽效应、等离子体的负面效应、壁聚焦效应、净化效应）4.2.3激光焊接的优点和局限性 一、优点：1、速度快、深度大、变形小，焊件的热变形很小，可以进行精确地焊接，焊接无需刚性夹紧。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接15。3、可焊接难熔材料如钛、石英，效果良好。4、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中16。如下图所示，激光焊接加工的微型器械： 图4-7.激光焊接医疗穿刺针 5、可焊接难以接近的

37、部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用17。6、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件18。 二、局限性： 1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相关系统的成本较高，设备昂贵，一次性投资较大。 3、焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。 4、最大可

38、焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。 4、高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。 5、当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。 6、能量转换效率太低，通常低于10%。 7、焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑4.2.4激光焊接的应用1. 激光焊接在汽车工业中的应用 在车身激光焊接方面：汽车工业中的在线激光焊接大量用在车身冲压零件的装配和连接上；主要应用包括车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。另一项比较重要的车身激光焊接应用,是车身结构件（包括车门、车身侧围框架及

39、立柱等）的激光焊接。在不等厚激光拼焊板上：车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量、减少零件数量、提高安全可靠性及降低成本。在齿轮及传动部件焊接方面：主要用于齿轮激光焊接、车轮钢圈激光焊接，能有效提高生产能力，而且焊缝热影响区小，生产效率高19-20。如下图： 图4-8.激光在汽车工业中的无缝焊接2.光纤激光焊在造船及海洋工程方面的应用 目前,轮船都是先制造出许多独立的局部组件结构单元,再在水中的船台上一个个进行组装。采用激光焊技术制造海洋建筑物局部组件非常合适,因为它结合了焊接切割自动化技术与激光技术。与弧焊方法相比,采用该技术可以大大提高生产率21-22。3 .激光焊在飞机制造中的应用

40、主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接,以保证气动面的外形公差。另外在机身附件的装配中也大量使用了激光束焊接技术,如腹鳍和襟翼的翼盒,结构不再是应用内肋条骨架支撑结构和外加蒙皮完成,而是应用了先进的钣金成形技术后,采闲激光焊接技术在三维空间完成焊接拼合,不仅产品质量好,生产效率高,而且工艺再现性好,减重效果明显。近年来激光焊也多见于薄壁零件的制造中,如进气道、波纹管、输油管道、变截面导管和异型封闭件23。如下图： 图4-9.以激光焊接连接代替的飞机铆4.复合激光焊的应用 复合激光焊技术结合了激光焊和传统气体保护焊两者的优点,激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区情况下获得较大的熔深

41、；所附加的气保焊可以大大扩展接头根部间隙的大小,改善表面状态和杂质的允许量；提高根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制24-25。如下图，激光焊接的各种样件：图4-10.激光焊接的各种样件5. 激光焊在医学上的应用 激光焊是用激光来加热, 所以它可以穿透透明介质, 能够焊到透明介质容器的里边去。这种方法也被利用到医学里边,如患者视网膜脱落,视网膜是在眼球的后面,视网膜脱落以后眼睛就会失明。现在就用激光的办法,透过眼球焊到眼球后面,把这个视网膜和眼球焊起来26-27。如下图所示： 图4-11.激光焊接加工心脏起搏器4.3.激光打孔4.3.1激光打孔的原理 激光打孔实质上是把激光光束聚焦在

42、工件上，使光能转变为热能的一种热加工方法。激光束是一种在时间上和空间上高度集中的光子流束，其发散角极小、聚焦性能良好， 采用光学聚焦系统， 可以将激光束会聚到微米量级的极小范围内，其功率密度可高达，当这种微细的高能激光束照射到工件上时， 由于这种高强热源对材料加热的结果，可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上，从而引起被照射区内的材料瞬时熔化并大量汽化蒸发，气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在照射点上立即形成一个小阻坑28。 其具体过程是一定能通量密度的激光脉冲辐射对工件材料的作用过程，也就是材料的熔化和气化以及部分材料以固相形式抛出。当辐射脉冲作用一开始，就出现蒸气相的飞出，具有喷射流的

43、特性，以后随着孔径、深度的增加，飞戮物中材料熔化占大部分，这个熔化液体物质在孔的侧壁和底部形成，并且被蒸气的剩余压力排挤出来。当脉冲临近结束时，由于激光能通最密度的降低而使飞溅物的排出量减少，能通量密度进一步降低，一导致飞截物中液相占优势，当能通量密度接近材料开始破坏的同值时，仅形成表面烙化。一个激光脉冲结束后，工件形成一凹坑，激光脉冲连续作用，凹坑逐渐加深加大，到适当时间，小孔就形成了29。如图： 图4-12.激光打孔几何原理图 4.3.2激光打孔的分类 激光打孔有很多种形式，其类型可分为复制成形法和轮廓成形法： 1.复制成形法顾名思义，复制成形法是控制激光束的形状进行加工，所得孔的形状与光

44、束相似。激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法包括单脉冲和多脉冲。目前一般采用多脉冲法，其特点是可使工件上能量的横向扩散减至最小，并且有助于控制孔的大小和形状。毫秒级的脉冲宽度可以使足够的热量沿着孔的轴向扩散，而不只被材料表面吸收。 2、轮廓成形法轮廓成形法是采用逐点挖坑，分层去除的方式进行加工。工件上打孔的形状是由激光束和工件相对位移的轨迹逐层形成的。用轮廓迂回法加工时，激光器既可以在脉冲状态下也可以在连续状态下工作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连续的彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加工，可把孔扩大成具有任意形状的横截面。如图所示： 图4-13.激光打孔加工出来的轮廓 4.3.3激光打孔的特点 激光打孔技术与机械钻孔、电火花加工等常孔打孔手段相比，具有显著的优点：