（机械制造及其自动化专业论文）基于田口方法的脉冲nd：yag激光焊接工艺参数优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 激光焊接技术由于其能量密度高、热影响区小、焊接变形小、焊 接速度高等众多优点，一直是激光加工方面的研究热点。在激光焊接 中，焊接质量很多时候都要受到焊接参数或外在条件的影响，尤其是 脉冲n d ：y a g 激光器焊接因素较多，因此选用合适的实验设计及统计 方法用于优化焊接质量以达到焊接要求是很有意义的。此外，低功率 激光焊接模式的研究及重叠脉冲激光焊接熔化率的计算也是近几年 的研究热点，因此对这两个方面进行研究也是有一定价值的。 本文采用低功率脉冲n d ：y a g 激光器对s u s 3 0 4 不锈钢进行了单 因素激光板上堆焊，采用先进的d o e 方法田口方法用于设计和分析 s u s 3 0 4 不锈钢激光拼焊实验，对激光焊接中采用的田口方法、低功 率激光焊接模式及重叠脉冲激光焊接熔化率做了较为系统的研究。 首先，采用低功率n d ：y a g 激光器对0 9 5 m m 厚s u s 3 0 4 不锈钢进 行单因素激光板上堆焊，研究激光焊接参数电压、脉宽、频率、速度 对焊缝宽度及熔化面积的影响，以达到确定激光焊接工艺参数范围及 低功率脉冲激光焊接过程的转变的目的。结果表明，通过板上堆焊， 0 9 5 m m 不锈钢激光焊接各焊接参数的范围为u ：4 1 0 v - 4 7 0 v ，t p ： 2 - 6 m s ，f ：4 - 7 ，v ：7 0 1 6 0 m m m i n ，此外，在激光焊接过程中，当 t p = 4 m s ，f = 4 h z ，v = l o o m m m i n 时，需要u 至4 3 0 v ，就会实现热传导到深 熔焊接的转变；在u = 4 5 0 v ，f = 4 h z ，v = l o o m m m i n 时，t p 4 m s 时，就 会实现热传导到深熔焊接的转变，这为选择合理参数达到激光深熔焊 江苏大学硕士学位论文 接，提高焊接效率有指导意义。 其次，在单因素激光焊接的基础上，采用田口方法用于设计和分 析0 9 5 r a m 厚s u s 3 0 4 不锈钢和1 4 5 m m 厚s u s 3 0 4 不锈钢激光拼焊，在 实验的基础上，采用m i n i t a b 和d e s i g ne x p e r t 分别对实验结果进 行信噪比分析和方差分析，研究激光焊接参数电压、脉宽、频率、速 度对焊缝宽度、熔化面积、熔化率及抗拉强度的影响，并建立了数学 模型以达到优化和预测实验结果的作用。结果表明，通过方差分析， 建立的数学模型是可行的，通过优化实验验证，预测的优化的实验结 果与进行验证的实验结果之间的值的相差也是在可接受范围之内的， 这为焊接过程中参数的优化奠定了基础。其中，本文针对的是重叠脉 冲激光的焊接，对这种焊接方式的熔化率原理进行了阐述，并将田口 方法应用于提高焊接过程中熔化率的过程中，得到了较为满意的结 果，为有效的计算激光的加工效率提供了指导性作用。 另外，本文针对多个实验结果进行试验的多结果优化，在规定的 各种标准下进行了实验结果预测，这为在得到复杂的实验结果的基础 上，进行有目的的优化提供了参考性作用。 关键词：激光加工，脉冲激光焊接，田口方法，焊接模式，熔化率， 数学模型 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g eo fh i g he n e r g yd e n s i t y , l o wh e a ta f f e c t e d z o n e ，l o ws h a p e d i s t o r t i o no f c o m p o n e n t s ，h i g hw e l d i n gs p e e d ，t h e r e s e a r c ho ft h el a s e rw e l d i n gi st h ef o c u so ft h el a s e rp r o c e s s i nl a s e r w e l d i n g ，a st h ew e l d i n gq u a l i t yw o u l da l w a y sb e e na f f e c t e db yt h e w e l d i n gp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l y t h e p a r a m e t e r s o ft h e p u l s e d l a s e r w e l d i n g ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pp r o p e re x p e r i m e n t a ld e s i g n s a n ds t a t i s t i c a lm e t h o d sf o r o p t i m a lw e l d i n gq u a l i t y i n a d d i t i o n ，t h e r e s e a r c ho ft h ew e l d i n gm o d eo ft h el o wp o w e rl a s e ra n dt h ec a l c u l a t i o n t h em e l t i n gr a t i oo ft h eo v e r l a pp u l s e dl a s e rw e l d i n gi sa n o t h e rr e s e a r c h f o c u si nt h er e c e n ty e a r s ，s oi ti sa l s os i g n i f i c a n tt od ot h er e s e a c ho n t h e s et w o a s p e c t s t h eb e a d - - o n - p l a t eo ft h es u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw a sd o n eb yt h el o w p o w e rp u l s e dn d ：y a gl a s e r , t h eb u t tl a s e rw e l d i n go ft h e s u s 3 0 4 s t a i n l e s ss t e e lw a sd e s i g n e da n da n a l y s e db yt h et a g u c h iw h i c hi sa a d v a n c e dd o em e t h o d t h er e s e a r c ho f t a g u c h i m e t h o di n l a s e r w e l d i n g ，t h ew e l d i n gm o d eo ft h el o wp o w e rl a s e ra n dt h ew e l d i n gr a t i o o ft h eo v e r l a pp u l s e dl a s e rw e l d i n gw a sd o n e s y s t e m a t i c a l l y f i r s t l y , t h eb e a d - - o n - p l a t eo ft h es u s 3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw h i c hi s 0 9 5 r a mt h i c kw a sd o n eb yt h el o wp o w e rp u l s e dn d ：y a gl a s e r , t h e a f f e c to f t h e w e l d i n gp a r a m e t e r s s u c ha s v o l t a g e ，p u l s e d 江苏大学硕士学位论文 w i d t h ，f r e q u e n c y , w e l d i n gs p e e do nt h ew e l d i n gw i d t ha n dw e l d i n ga e r a w a sd o n ei no r d e rt os e l e c tt h er a n g eo ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n d d e t e r m i n et h et r a n s f o r m a t i o no ft h el a s e r w e l d i n gm o d e s o a st o f u r t h e r l y , t h er a n g eo ft h el a s e rw e l d i n go nt h e0 9 5 m mt h i c ks u s 3 0 4 s t a i n l e s ss t e e li s u ：4 1 0 v - 4 7 0 v ，t p ：2 - 6 m s ，f ：4 - 7 ，v ：7 0 - 1 6 0 m m m i n i n a d d i t i o n ，i nl a s e rw e l d i n gp r o c e s s , w h e nt p = 4 m s ，f - - 4 h z ，v = l o o m m m i n ， t h ec o n d u c t i o nw e l d i n gm o d ew i l lt r a n s f o r mi n t ot h ek e y h o l ew e l d i n g m o d ew h e nu 兰4 3 0 v , w h e nu = 4 5 0 v ，f - - 4 h z ，v = l o o m m m i n ，t h e c o n d u c t i o nw e l d i n gm o d ew i l lt r a n s f o r mi n t ot h ek e y h o l ew e l d i n gm o d e w h e nt p 4 m s ，s ot h i sc a nb es o m e w h a ti n d i c a t i v et os e l e c ts u i t a b l e p a r m e t e r st oc o m p l e t ek e y h o l ew e l d i n ga n di m p r o v e w e l d i n ge f f i c i e n c y s e c o n d l y , t h eb u t tl a s e rw e l d i n go f0 9 5 m ma n d1 4 5 m mt h i c k s t a i n l e s ss t e e l sw e r ed e s i g n e da n da n a l y s e db yt a g u c h ib a s e do nt h e s i n g l ep a r a m e t e r sl a s e rw e l d i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a sa n a l y s e db y s i g n a lt on o i s er a t i oa n da n o v au s i n gt h es o f t w a r em i n i t a ba n dd e s i g n e x p e r t ，t h e e f f e c to ft h el a s e r w e l d i n gp a r a m e t e r sv o l t a g e ，p u l s e d w i d t h ，f r e q u e n c y , w e l d i n g s p e e d o n t h e w e l d i n gw i d t h ，w e l d i n g a r e a ，m e l t i n gr a t i oa n dt e n s i l es t r e n g t hw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e sw e r eb u i l ti no r d e rt oo p t i m i z ea n dp r e d i c tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t a sa r e s u l t ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ef e a s i b l e b y t h e a n o v a ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r e d i c t e do p t i m a le x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e da r ea c c e p t a b l e ，t h i sw i l lb et h e 1 v 江苏大学硕士学位论文 f o u n d a t i o no ft h e o p t i m i z a t i o n o ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r s a m o n g t h e m , b a s e do nt h eo v e r l a pp u l s e dl a s e rw e l d i n g ，t h ep r i n c i p l eo ft h e m e l t i n gr a t i ot ot h i sw e l d i n gm e t h o dw a sd e s c r i b e d ，t h et a g u c h im e t h o d w a su s e dt oi m p r o v e dt h em e l t i n gr a t i oi nt h ew e l d i n gp r o c e s sa n d o b t a i n e daa c c e p t a b l er e s u l t ，i ti s s i g n i f i c a n tf o rc o m p u t i n gt h el a s e r w e l d i n ge f f i c i e n c ya v a i la b l y i na d d i t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o n so ft h em u l t i r e s u l t s w e r ee x e c u t i v e d t ot h em a n yr e s u l t s ，t h e p r e d i c t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r eg o t i n d i f f e r e n tc r i t e r i a s i tp r o v i d eas i g n i f i c a n tg u i d a n c ef o rt h ep u r p o s eo ft h e o p t i m i z a t i o nt ot h ec o m p l e xe x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：l a s e r p r o c e s s i n g ，p u l s e dl a s e rw e l d i n g ，t a g u c h im e t h o d ， w e l d i n gm o d e ，m e l t i n gr a t i o ，m a t h e m a t i c a lm o d e l v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 保密口 不保密i - i 学位论文作者签名：响留畛 嘉导教师签名：壶t l 份僵 舯z 月，扫日珈z 口年6 月厶日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：白家秀 年。月日 江苏大学硕士学位论文 1 1激光焊接 第一章绪论帚一早 三百了匕 激光加工是将激光束聚焦到材料表面，使之加热熔化，从而达到加工的目的。 激光加工为非接触加工，具有加工速度快、无噪音，而且光束能量、光束移动 速度都可以方便的调节；通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以与数控 机床，机器人机构连接成为柔性加工系统；激光加工也具有力n - r _ 热影响区小，工 件整体在加工过程中不容易变形等特点。由此可见，激光加工在加工方法中具有 明显的优势，在某些领域中，激光加工甚至有取而代之的趋势，这对传统加工方 法来说是一种挑战。 清华大学钟敏霖1 1 等教授针对国际激光材料加工领域影响最大、规模最大、 研究论文最集中、最能体现本领域研究发展前沿和热点的i c a l e o 国际会议的内容 进行了整理，对t c a l e o 0 2 至t c a le o 7 0 7 陪7 1 连续六届国际会议中的8 6 0 篇激光 材料加工会议报告论文和3 8 7 篇微纳加工会议论文进行分类统计，全面反应了激 光加工的主导研究领域和研究热点。在论文中，共总结出国际激光宏观材料加工 的1 5 大研究领域：1 ) 激光与物质相互作用：2 ) 激光表面强化：激光热处理、激光 合金化、激光熔覆：3 ) 激光焊接：焊接等离子体、d q l 研究、轻金属焊接、钎焊、 混合激光焊接、聚合物与塑料连接、焊接工业应用：4 ) 激光切割与打孔：5 ) 激光 成形与制造：快速成形、激光板材成形、激光粉末烧结、激光直接制造：6 ) 激光 引导击穿光谱：7 ) 激光加工新工艺新技术：8 ) 激光加工工业应用( 汽车、航空、 机械制造、生物医疗、能源) ：9 ) 激光加工过程传感、检测与控制：1 0 ) 激光加 工过程模型与模拟：11 ) 新型激光器件及加工研究：二极管激光、光纤激光、薄片 激光器：高亮度激光：1 2 ) 光束处理与诊断：1 3 ) 光学元器件研究：1 4 ) 激光加工 集成制造系统：1 5 ) 激光加工环境与安全。 对国际激光宏观加工1 5 大研究领域中的5 大研究热点依次为：激光焊接 ( 占所有报告论文的2 1 3 ) ，激光成形与制造( 占1 4 1 ) ，新激光器与新激光 加工研究( 占1 1 6 ) ，激光表面强化( 占1 0 9 ) 以及激光加工过程的传感、检 测与控制( 占8 4 ) 。 江苏大学硕士学位论文 在激光加工的研究中，激光焊接是研究中的热点，比例也最大，因此，对激 光焊接进行研究是很有意义。在某些领域激光焊接已经成为一些传统的焊接方法 的替代技术，这是凼为激光焊接具有其独特的优点“： ( 1 ) 热输入量小，熔池深宽比大，因此热影响区小，工件收缩和变形较小： ( 2 ) 焊接具有可连续性和可重复性； ( 3 ) 焊道窄且表面质量较好，焊缝强度高； ( 4 ) 对于准确定位的焊缝易于实现自动化； ( 5 ) 可实现异种材料的焊接； ( 6 ) 激光束控制比较灵活，柔性大，能够焊接其他焊接方法难以达到的位置： ( 7 ) 焊接速度通常比其他焊接工艺快； ( 8 ) 某些情况下可减少后处理工序( 如焊缝的清理) 。 1 2 激光焊接的研究现状 目前，激光焊接技术已经得到了广泛的应用。国内外也对激光焊接进行了很 多研究，钟敏霖“川等教授对激光焊接这个国际研究热点进行细分，激光焊接包 括；复合激光焊接、焊接工艺、聚合物与塑料连接、轻金属焊接、焊接基础、钎 焊、焊接等离子体，小孔研究、焊接工业应用、高亮度激光焊接和异种金属材料 焊接等，其分布见图1 1 所示。 ri i 、jji i i 】_ ：_ i 、 “囊 。心：j 譬c 囊园- 、胤 j 咄“譬：= “、_ 燃黹 圈1 1 激光焊接国际热点细分“1 对于激光焊接而占达到更好的焊接质量是很重要的，无论是复合激光焊 接、纤焊、高亮度激光焊接等新的激光焊接方法，还是聚合物与塑料连接、轻金 属焊接、异种金属焊接等激光于新的焊接材料的研究，要达到更好的焊接质量， 江苏大学硕士学位论文 一般都会采用相应的焊接工艺来提高焊接质量睁1 4 1 ，因此对激光焊接进行工艺研 究很有必要。此外，小孔研究一直是研究的热点问题“7 1 ，它为提高激光加工效 率是有重要作用的，而对于计算激光加工效率的熔化率的计算也是一个很意义的 课题1 1 1 ，为有效计算激光力n - r 的耦合效率提供了指导性作用。激光焊接研究面较 宽，本文主要是针对其中的三个面进行了较为系统的研究，下面就这三个方面的 研究现状。 1 2 1 焊接工艺的研究现状 在生产中，焊接质量可通过焊缝宽度、熔化面积抗拉强度等指标进行评价， 而这些评价指标都受到焊接参数的影响，尤其是脉冲n d ：y a g 激光器焊接焊接因 素较多，因此选择合理的焊接参数以达到优化焊缝宽度和抗拉强度的目的很有必 要，这就需要通过工艺研究使问题得到解决。实验设计和统计方法作为一种优化 的手段被广泛应用，很多研究都使用了实验设计与统计方法用于参数的优化，d o e ( d e s i g no fe x p e r i m e n t ) 方法是以概率论和数理统计为理论基础，合理安排实验 的一种方法论。k y b e n y o u n is 1 钉等对用于优化焊缝形状及机械性能的d o e 方 法进行了总结归类，大致分为7 类：( 1 ) 析因设计( 2 ) 线性回归( 3 ) 响应曲面 法( 4 ) 人工神经元网络法( 5 ) 田口方法( 6 ) 两种方法的结合( 7 ) 其他方法， 并在文章中对各个优化设计方法的研究现状进行了一些总结，每个优化方法都有 一定的优缺点。 其中，t a g u c h i 由日本质量专家田口玄一于上世纪5 0 年代提出，又称田口方 法。田口方法就是其中的一种。田口方法能在不增加成本的前提下，通过优化工 艺参数，以达到提高质量的目的。通过田口方法得到的优化工艺参数对环境条件 和其他噪声因子具有抗干扰能力。传统的设计方法太复杂，并且不容易使用，因 为随着工艺参数的增加，会导致实验量的大量增加。为了解决这个问题，田口方 法使用了一种特殊的设计，直角表设计，它能在最小化实验的基础上达到研究整 个工艺参数的目的。 最近，国外一些研究都在田口方法的基础上进行工艺参数的预测及优化，并 得到较好结果，尤其是爱尔兰都伯林大学。 2 0 0 6 年，a g o l a b in 6 1 等使用反向传播的神经元网络技术和田口方法去设 3 江苏大学硕士学位论文 计试验，并找出了c o 。激光深熔焊接中碳钢的优化水平。 2 0 0 6 年，e m a n a w an 7 等针对c 0 2 激光焊接3 1 6 不锈钢和低碳钢，用以调 查焊接条件对异种焊接件韧性的影响，采用田口方法用以优化焊接参数，对结果 采用方差分析( a n o v a ) 和信噪比( s n ) 分析以达到优化参数的目的，结果证明 田口方法能在对结果没有负面影响的情况下减少实验数量。 2 0 0 7 年，a g o l a b in 明等为了最小化a i s l 3 0 4 不锈钢钢板的残余应力，采 用了析因设计、田口设计、r s m 设计及非线性设计用以设计实验，并得到了各种 实验的最好结果。 2 0 0 8 年，e m a n a w an 钉等采用连续激光成功焊接了异种材料a i s l 3 1 6 和 a i s i l 0 0 9 中碳钢。为了达到焊透、最小化熔化区域及得到可接受的焊缝形貌的目 的，需要对焊接参数进行仔细的选择，为此，作者采用田口方法用以优化选择的 焊接参数，以达到最小化熔化区域的目的，并建立了数学模型，用以描述选择参 数对熔化区域及形状的影响，并在有限的误差范围内预测其值。结果证明建立的 模型能有效的预测结果。 2 0 0 8 年，e m a n a w a 呦1 等针对c 0 2 激光焊接a i s l 3 1 6 和低碳钢a i s i l 0 0 8 的 残余应力进行了研究，采用田口方法找出了激光深熔焊接异种材料的焊接速度、 激光功率和焦点位置的优化值。输出结果为在不同深度的热影响区的残余应力， 为得到更好的参数组合，对实验结果进行了a n o v a 分析和s n 分析，建立了统计 模型用以描述在不同水平输入参数对残余应力的影响，并在有限的误差范围内对 值进行了预测，结果证明建立的模型能有效的预测结果。 2 0 0 8 年，e m a n a w a 让q 等针对c o 。激光焊接a i s l 3 1 6 和中碳钢的抗拉强度进 行了研究，采用田口方法找出了激光深熔焊接异种材料的焊接速度、激光功率和 焦点位置的优化值。输出结果为在不同深度的热影响区的残余应力，为得到更好 的参数组合，对实验结果进行了a n o v a 分析和s n 分析，建立了统计模型用以描 述在不同水平输入参数对残余应力的影响，并在有限的误差范围内对值进行了预 测，结果证明建立的模型能有效的预测结果。 2 0 0 8 年，e m h a s s a n 2 妇等对多种异种材料的采用激光焊接的可行性进行 了研究，并采用田口方法对实验结果进行了预测与优化。 除这个大学外，也有其他研究者采用田口方法就相关领域进行了研究一1 。 4 江苏大学硕士学位论文 由于焊接工艺参数直接影响着焊缝成形及接头性能的好坏，而国外采用田口 方法对焊接参数进行优化的研究较多，且取得较好结果，在国内研究较少，因此 采用田口方法对激光焊接参数进行优化，以达到提高焊接质量是很有意义的。 激光焊接模式研究现状 钟敏霖1 。1 教授对激光焊接这个研究热点细分时，其中有一个为小孔研究， 小孔研究其实主要是研究激光深熔焊接。根据能量传播模式和焊接深度，激光焊 接有两种焊接模式。一种为热传导焊接，一种为深熔焊接。对于工业应用，热传 导焊接是不适用的。而深熔焊接就很适用于工业应用。当激光能量密度增加到一 定时候，就会形成深熔焊接，在材料表面会出现材料的蒸发，在焊接熔池中会匙 孔。这个匙孔对于激光能量的吸收是很有效果的 3 1 - 3 2 | 。关于激光焊接中深熔焊的 研究，国内外有很多，尤其是高功率c 0 2 或y a g 激光的焊接。在国外，b h u 3 1 等采用3 k i e 、i d ：y a g 激光器对a a 2 0 2 4 铝合金进行了自生的激光深熔焊接可行性的研 究，并用以高速摄像机用以捕捉匙孔动态，通过高速摄像机可以看出由于严重的 匙孔的不稳定性，会出现粗糙的焊缝形貌和形成气孔。高能量输入( 激光能量密 度和焊接速度组合) 时形成相对大的焊接熔池，在熔池中央形成匙孔，焊接过程 相对稳定，焊缝没有很多气孔。相比，当能量输入时，会形成很小的焊接熔池， 匙孔会出现在靠近熔池的前面边缘，焊接过程不稳定，会出现很严重的气孔。j u n z h o un 4 1 等采用4 k w n d ：y a g 激光器对3 m m 厚3 0 4 不锈钢进行了激光焊接，在实验的基 础上用数学的方法研究了脉冲匙孔激光焊接过程中的热传递、流动和匙孔动态过 程，并建立了全面的数学模型，在这个模型中，建立了连续的公式用以处理在熔 化和凝固过程中的的固相、液相和混合态，结果显示反冲力是形成匙孔的主要动 力。j u nz h o u 3 阳等也研究了激光深熔焊接中电磁力对熔化液体和气孔形成的作 用，气孔在脉冲激光深熔焊接主要受到两个原因的影响，一为熔化金属的凝固速 度，一为在匙孔塌陷过程中熔化金属填充速度，当凝固速度超过熔化金属填充速 度时，就会产生气孔，j u nz h o u 采用电磁力用以控制熔化金属的填充速度，并建 立了数学模型用以调查电磁力对瞬态熔化流动、匙孔动态和气孔形成的作用，结 果证明采用电磁力能有效防止脉冲激光焊接中的气孔形成。k a m e la b d e r r a z a k 哪! 等采用2 k 孙l d ：y a g 激光器对a z 9 1 镁合金进行了焊接，使用了试验和有限元体积法 5 江苏大学硕士学位论文 ( f v m ) 用于调查连续激光深熔焊接过程中的热现象。首先采用实验方法调查了激 光焊接参数对熔池的影响，其次用f v m 模型用以模仿在连续激光焊接过程中匙孔 和熔池的形成，采用了体积热源模型用以模拟激光束，通过建立的模型发现，熔 池的尺寸和形状都受到了焊接参数的影响，比如焊接速度和激光能量。并且发现 表面张力温度系数和m a r a n g o n i 对流都对镁合金的活性元素很敏感，这些系数影 响熔池形状的流动，最终仿真的结果和试验结果相符合。t s i b i l l a n od 等采 用2 5 k wc 0 2 激光器对3 m m 厚a a 5 0 8 3 铝合金进行激光焊接，并展示了一种在激光焊 接过程中基于等离子光谱的基础上进行的实时监控技术，并认为控制两种主要的 焊接模式即深熔焊和热传导焊接的转换成为可能。 在国内，段爱琴汹1 等采用4 k w c 0 2 激光器对2 m m 和4 m m 3 0 4 不锈钢进行激光焊接， 通过试验和理论相结合的方法，研究了激光深熔焊接不稳定过程的特征、形成机 理、判断条件及监控诊断方法，为在实际焊接中控制焊接质量的稳定性提供工艺 参数选择和检测奠定理论基础。肖荣诗汹1 等采用采用2 k w n d ：y a g 激光器焊接壁厚 1 i m m 的黄铜与壁厚1 5 m m 的紫铜搭接接头管材。研究结果表明：黄铜由于富含 低熔沸点合金元素锌，易于实现激光深熔焊接，其深熔阈值低于铝合金。紫铜对 y a g 激光的反射率极高，虽然焊接困难，但采用黄铜在上、紫铜在下的搭接接头形 式，激光束则深入到紫铜基体内部实现了深熔焊接。在合适的工艺参数下，可得到 成形良好的焊接接头。单际国柏1 等采用c 0 。激光器对4 m m 厚a z 3 1 b 进行了激光试验， 试验中出现了三种焊接模式：深熔焊、热导焊、模式不稳定焊。分析发现在一定 参数范围内激光功率是焊接模式的决定因素。提出用正面熔宽与纵深段熔深的比 值来表征小孔焊焊缝的形状特点，并对焊缝形状参数的影响因素进行了分析。发 现焊接热输入是控制焊缝形状的最主要因素，而焊接速度变化引起的激光能量利 用率的变化和激光功率变化引起的等离子体羽翼导热影响范围的变化也是焊缝 形状的影响因素。在保证熔透的前提下，选择较低的激光功率、较高的焊接速度 和较弱的焊接规范有利于获得深而窄的焊缝。伍强h 等基于准稳态传热控制模 型，推导了激光焊接热传导问题的有限差分方程，模拟了激光焊接处于热传导焊 与深熔焊之间的临界状态。然后采用1 5 k w 激光器对高强度镀锌板进行了激光焊 接以验证，发现模拟结果和实测结果误差5 以内。 从上面的研究中，国内外对于高功率激光器焊接的深熔焊及焊接模式的研究 6 江苏大学硕士学位论文 较多，而对于低功率激光器焊接模式转变研究较少，目前有mjt o r k a m a n yn 对 4 0 0 w 脉冲n d ：y a g 激光焊接模式进行了研究，gb u v a n a s h e k a r a n 心1 对5 0 0 w 连续 n d ：y a g 激光焊接模式进行了研究，等等，因此对低功率脉冲进行焊接模式的研究 很有必要。 1 2 3 熔化率的研究 激光点焊能在很小的区域，很短的时间( 0 1 m s - 2 0 m s ) 内精确的传递能量 ( o 卜5 0 j ) ，而搭接重叠点焊能用于板材的连接，由于金属表面和匙孔区域对于 激光能量吸收率的可变性，对于要得到合适的焊接尺寸的需要激光脉冲能量的实 际百分数是未知的 4 3 1 因此需要找到合适的方法用于激光能量的测量与计算。 在焊接研究领域，焊接效率的测量是一个很有趣的课题。在激光焊接中，常 常只会考虑用于形成熔化接头的光纤能量输出的效果。而这个效果可以通过熔化 效率或熔化率定义 4 4 - 4 5 。在焊接过程中，这些参数的测量对于能量耦合效果能提 供重要的指示。熔化效率为熔化焊接金属需要的能量与实际被母材吸收能量之 比。而熔化率可以定义为熔化焊接金属需要的能量与照射到工件表面的能量之 比。对于熔化效率而言，效率主要是由能量到母材的传导所决定。但是，对于熔 化率而言，效率主要是由传递到母材的能量的丢失和由于母材对激光能量有限的 吸收导致工件表面对照射能量的反射百分数决定的。熔化率和熔化效率对于焊接 过程是很重要的。这些也被应用于决定和优化各种焊接工艺参数。对于普通焊接 方法和连续激光焊接方法，关于熔化率的计算和测量已经成为一些研究的课题， 比如d c w e a m a n 、a g p a l e o c r a s s a s 、m g e i g e r 等删1 熔化率进行了硼 究。对于激光点焊和连续焊，关于熔化率的测量报道较少。 重叠脉冲激光焊接本身拥有连续和点焊条件的特性“h4 9 踟。但是，在现有公 开文献中，对于直接测量重叠脉冲激光焊接的熔化率或作用的研究很少 j s a b b a g h z a d e h “等考虑到连续热源焊接和点焊热源焊接的特性，针对重叠脉 冲激光焊接，使用了一种新的方法用于计算熔化率。这个方法用于比较脉冲激光 焊接和连续焊接的结果。因为能量传递到焊接区域不仅来自一个脉冲，而且也来 自在同一个点的重叠脉冲。峰值功率密度和热输入量都不能完全的解释脉冲激光 焊接的特性。所以，使用累计效应用于考虑在同一个点一系列脉冲的作用。国内 7 江苏大学硕士学位论文 对于重叠脉冲激光焊接的熔化率的研究则很少，且对于熔化率激光焊接中耦合效 率的计算是重要指示作用的，因此对重叠脉冲激光焊接的熔化率的研究有一定意 义。 1 3 本课题研究目标及主要研究内容 在激光焊接中，焊接质量受到焊接参数的影响，尤其是脉冲n d ：y a g 激光器 焊接焊接因素较多，整个焊接系统就更为复杂，为了选择合理的焊接参数以达到 优化优化焊接质量的目的，本文采用先进的d o e 方法田口方法进行了试验设计， 并在试验的基础上，使用d e s i g ne x p e r t 对试验结果进行了信噪比分析及方差分 析，研究了n d ：y a g 脉冲激光器焊接工艺参数对焊缝宽度、熔化面积、熔化率抗 拉强度的影响，并建立了能预测焊接质量，优化工艺参数的数学模型。 同时本文针对低功率n d ：y a g 脉冲激光焊接中的焊接模式进行了研究，在试 验的基础上得到了焊接模式变化过程中焊接参数的大致范围，本文也针对重叠脉 冲n d ：y a g 激光焊接的熔化率进行了研究，以达到最大化熔化率的目的。 本文的研究内容主要分为以下六个方面： 1 对激光焊接的理论基础和田口方法理论基础进行了阐述，介绍了激光焊接 的基本原理：激光与材料的作用机理、激光焊接的分类、影响材料对激光吸收的 因素。 2 对激光焊接设备及焊后试样的检验进行了简单的介绍。采用n d ：y a g 脉冲 激光器对0 9 5 m m 厚s u s 3 0 4 不锈钢进行板上堆焊，研究激光焊接中各个因素对焊 缝表面宽度( w 1 ) 、背面宽度( w 2 ) 及焊缝横截面形状( a ) 的影响，用以确定激 光焊接时各激光焊接参数的的参数范围。涉及的参数有电压( u ) 、脉宽( t p ) 、频 率( f ) 、速度( v ) 、离焦量( f ) 和保护气体速度( v 气) 等。研究的方法为在一定实 验的基础上，在所有参数不变的情况下，只改变一个参数，以研究单个参数对焊 缝宽度和熔化面积的影响。 另一重点在于研究电压和脉宽对焊接模式的影响，对于焊接模式而言影响最 大的是峰值功率，而电压和脉宽对与峰值功率的影响最大，第三章中确定了要达 到了峰值功率时电压和脉宽所需要达到的值。 3 对实验设计的本质及实验设计及优化的过程进行了介绍，对田口方法设计 8 江苏大学硕士学位论文 及在设计的基础上进行分析和优化的过程进行了介绍。 4 在单因素的基础上，采用田口方法对实验进行设计，在设计的直交表的 基础上分别对0 9 5 r a m 厚s u s 3 0 4 和1 4 5 m 厚s u s 3 0 4 进行激光拼焊。采用光学显 微镜、图形分析软件、拉伸机对相关试验结果进行测量，然后使用m i n i t a b 和 d e s i g ne x p e r t 对结果进行信噪比分析及方差分析，得到了可进行预测和优化的 数学模型，并进行了优化验证，除进行了单个实验结果的模型优化以外，本文采 用多个实验结果进行试验的多结果优化。 5 介绍了重叠脉冲激光焊接熔化率的基础原理，采用田口方法对实验进行了 设计，然后进行试验、测量与计算、然后对结果进行信噪比分析及方差分析，得 到了可进行预测和优化的数学模型，并进行了优化验证。 6 通过对焊缝组织形貌、硬度检测对不锈钢薄板激光焊接接头的显微组织结 构和显微硬度进行一定的评估。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章激光焊接的理论基础 2 1 激光与材料的作用机理 激光的产生是利用原子受激辐射的原理，是工作物质受激发而产生的波长均 一、方向一致以及强度很高的光束，称为激光。激光主要有四大特性：高亮度、 高方向性、高单色性和高相干性。激光已经在材料加工领域得到了广泛的应用。 激光焊接的原理是利用激光器产生的高强度的激光束，使其能量聚集到1 0 5 w c m 2 以上的能量密度，当其作用于焊接件焊缝时，焊接件吸收光能而转变为热 能，使其金属熔化后冷却结晶形成接头。 激光焊接实际上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程非常复杂， 微观上是一个量子过程，宏观上表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象 5 2 1 。 2 1 1 激光的反射与吸收 当光束照在金属表面时，一般都存在着强烈的反射。金属所含的自由电子密 度越大( 即电导率越大) ，反射本领越强。当能量为e 0 激光照射到材料表面时，部 分能量被反射，用e r 来表示：部分能量被吸收，则用e 来表示：对金属来说，则有 i s 3 e o = e r + e a 1 ：鱼+ 幺 e oe o = r + a( 2 - i ) 式中r 一反射率，a 一吸收率。 当激光束垂直入射到金属表面时，金属表面的反射率 r = 而( n - 矿1 ) 2 + 丽k 2 ( 2 2 ) 式中1 3 一一折射率；式中l 喊属表面的吸收系数。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 材料的加热 一旦激光的光子入射到金属晶体，光子会与电子发生非弹性碰撞，将其能量 传递给电子，使电子由原来的低能级跃迁到高能级。同时，金属内部的电子间也 在不断的互相碰撞中。每个电子两次碰撞间的平均时间为1 0 叫3 s 的数量级，因此， 吸收了光子而处于高能级的电子将在与其它电子的进行碰撞以及与晶格的互相 作用中进行能量的传递，光子的能量最终转化为晶格的热振动能，引起材料温度 升高，改变材料表面及内部温度。 2 1 3 材料的熔化及气化 在激光焊接时，材料到达熔点所需时间只为微秒级；在脉冲激光焊时，当材 料表面吸收的功率密度为1 0 5w c m 2 时，达到沸点的时间可以为几毫秒：当功率密 度大于1 0 6 w l c m 2 时，被焊材料会产生急剧的蒸发。连续激光深熔焊时，由于蒸发 的存在，蒸汽压力和蒸汽反作用力等能克服熔化金属表面张力以及液体金属压力 而形成小孔，小孔类似于黑体，能帮助激光光束能量的吸收，会出现“壁聚焦效 应 ，由于激光束聚焦后不是平行光束，与孔壁间形成一定的入射角，激光束照 到孔壁上后，经多次反射而达到孔底，最终被完全吸收。 2 1 4 激光作用终止，熔化金属凝固 在焊接过程中，工件和光束相对运动，由于金属剧烈蒸发而产生的强驱动力 使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速，在小孔的近表面形成一个较大 的旋涡，此后小孔后方液体金属由于传热的作用，温度迅速降低，液体金属就会 很快凝固成焊缝。 2 2 激光焊接的分类 根据激光对工件作用方式或激光束输出方式的不同，可以将激光焊接分为脉 冲激光焊接和连续激光焊接。前者形成一个圆形焊点，后者形成一条连续的焊缝。 脉冲焊接时，输入到工件上的能量是断续的、脉冲的。 根据实际作用在工件上功率密度或激光焊接时焊缝的成形特点，又可以将激 1 1 江苏大学硕士学位论文 光焊接分为热传导焊接和深熔焊接两类呻1 。 2 2 1 热传导焊接 当激光能量照射到工件表面时，表面热量通过热传导向内部扩散，工件的表 面温度达不到材料沸点，光束不能通过熔化金属直接加热下层固态金属，下层金 属吸收的光能变成热能后，通过热传导将工件加热熔化，形成的焊缝类似氩弧焊 焊缝，无小孔效应，焊接过程与非熔化极电弧焊非常相似，熔池形状近似为半球 形，其使用的功率密度比较低，一般在1 0 4 1 0 唧c m 2 量级，这样被焊接金属表面 既能熔化，又不会气化，激光照射区和熔池周围边缘之间存在温度差，从而引起 表面张力梯度，产生熔化金属的对流而形成，熔深较浅。 2 2 2 激光深熔焊 激光深熔焊接需要的激光功率密度一般在1 0 6 1 0 7 w c m + ，激光深熔焊接的机 理与电子束焊接的机理相近。当激光束照射在金属焊缝表面时，由于激光功率密 度足够高，金属在激光作用下温度迅速增加，其表面温度在极短时间内升高到沸 点，使金属