激光焊接实验报告

1、激光焊接实验报告一、实验目的1、理解激光焊接的基本原理及特点，熟悉运用激光进行金属焊接的具体过程。2、观察CO与YAG两种激光器的焊接过程，理解其焊接方式的条件及形成机理。3、掌握激光焊接机床及机械手的基本操作步骤和方法，能够进行简单的焊接操作。4、掌握金相测量方法，观察和记录焊接实验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进行 合理分析。5、了解激光焊接的应用。二、实验原理2.1 激光焊接原理激光焊接采用连续或脉冲激光束实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于 104 105 W/cm2 为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率 密度大于 105 107W/cm2 时，金

2、属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接 速度快、深宽比大的特点。图1是CO2激光器焊接结构图。图 1 CO2 激光器焊接结构图 在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，材料表面会发生一系列变化，其包 括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体。不同功率密度激光焊接 金属材料时的主要过程如图2所示。当激光功率密度小于104W/cm数量级时，金属吸收激 光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。当功率密度在大于 104W/cm小于 io6w/cm数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度达到io6w/cm数量级时，材料 表面在激光束的作用下发生气化，在气化反冲压力

3、的作用下，液态熔池向下凹陷形成深 熔小孔。同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功率密度大于1 07W/cm2时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传输，形成等离子体云团，出现等离子体对 激光的屏蔽现象。图2 不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程2.2 激光焊接模式根据是否产生小孔效应可以把激光焊接分为两种模式， 即热导焊模式和深熔焊模式。2.2.1 、 激光热传导焊接激光加热加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、 能量、峰值功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池，如图3（ a）所示。当焊接熔池在金属蒸汽反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小

4、孔后，材料对激光的吸 收将发生突变。材料的吸收率将不再仅与激光波长、金属特性和材料表面状态有关，而 主要取决小孔效应和等离子体与激光的相互作用等因素，此时焊接模式由热导焊接转变 为深熔焊接。2.2.2 、 激光深熔焊接激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度激光照 射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的 入射光束能量，孔腔内平衡温度达 2500°C 左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来， 使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体

5、材料连续蒸发产生的 高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规 焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔 壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光 束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定 状态。也就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金 属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成，如图3 （b）所示。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。a 激光热导焊示意图b激光深熔焊示意图图 3 激光

6、焊接原理图2.3 激光束自聚焦过程激光束作用金属材料表面时， 在低功率密度情况下， 金属材料对激光的吸收 仅发生在表面很薄区域内， 使表面温度升高。 当激光功率达到材料蒸发所需的临 界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。 随着激光功率密度的升高， 蒸发产生的 压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，熔池表面的曲率半径将减小，如图4所示。由于熔池表面下陷， 形成凹坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生改变， 凹陷的熔池使入射激光经反射后汇聚于熔池底部， 更高的功率密度促使熔池底部 金属蒸发加剧，产生的反冲压力升高， 促使熔池进一步下陷。 当材料的蒸发压力 达到某一临界值时， 蒸汽产生的反冲压力使下陷的

7、熔池陡然形成小孔， 焊接深度 跳跃式增长，材料对激光的吸收率将急剧增加，形成激光深熔焊接。图 4 激光束自聚焦示意图2.4 激光焊接的工艺参数激光焊的主要工艺参数包括脉冲能量、脉冲宽度（脉宽）、脉冲形状、功率 密度以及离焦量或焦点位置等。2.4.1 功率密度 对于不同的激光焊接，存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅， 一旦达到或超过此值， 熔深会大幅度提高。 只有当工件上的激光功率密度超过阈 值，等离子体才会产生， 这标志着稳定深熔焊的进行。 如果激光功率低于此阈值， 工件仅发生表面熔化， 也即焊接以稳定热传导型进行。 而当激光功率密度处于小 孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替

8、进行，成为不稳定焊接过程， 导 致熔深波动很大。在传导型激光焊接中，功率密度在范围在 104106W/cm2，在激 光深熔焊接的功率密度在 1081010W/cm2。2.4.2 激光脉冲波形当高强度激光束射至材料表面， 金属表面将会有 6098%的激光能量反射而损 失掉，且反射率随表面温度变化， 在一个激光脉冲作用期间内， 金属反射率的变 化很大。2.4.3 激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一， 它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。244离焦量激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过 高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的

9、各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方 式有两种：正离焦与负离焦。在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦； 焊接薄材料时，宜用正离焦。如图5所示。图5激光束的离焦量定义2.4.5材料吸收值材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。影响材料对激光光束的吸收率 的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测 量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化； 其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接 效果产生明显作用。2.4.5.1 波长对吸收率的影响

10、金属的吸收率A与激光波长入和金属的直流电阻率p存在如下关系：从图6中得：固体金属表面对激光的反射性较强，这是因为金属对激光的吸收主要是通过大量自由电子的带间跃迁实现的，自由电子受光波中强烈的电磁波的影响强迫振动而产生次波， 次波又造成强烈的反射波和比较弱的透 射波。因此，金属的电导率越高，其反射率也越高。图6室温下不同金属对不同波长激光的吸收率245.2 温度对吸收率的影响随着温度升高，在激光作用下金属的吸收率与温度的关系可由下面的公式描述: A（t ） = A 0 +r （T-T。），从理论上，材料对激光的吸收率随温度的升高而增大，金属材料在室温下的吸收率都比较小， 当金属温度达到熔点产生熔

11、融和气化 后，吸收率上升到4050%当接近沸点时吸收率可高达90%激光功率越大、作 用时间越长，金属的吸收率越高。2.4.5.3表面粗糙度对吸收率的影响材料的表面状况如：粗糙度、氧化层和缺陷等对激光的反射率影响很大。因 此增大材料表面粗糙度可以提高材料对激光的吸收率。当粗化表面微观不平度达到波长量级左右时，材料对激光的吸收率变化较大。但随着温度的升高，这种现象将减少，甚至为零。2.4.6焊接速度焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材 料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个 合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。2.4

12、.7保护气体保护气体的作用：i、激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。ii、保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射。特别在高功率激光焊 接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。iii、驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸汽吸收激光束电离成等离 子云，金属蒸汽周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激 光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原

13、子三体碰撞来 增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身 的电离而增加电子密度。从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原因 首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸汽 扩散差别。三、实验设备和实验材料3.1实验设备及其参数3.1.1 CO 2激光器焊接系统Rofi n Slab DC035 CO激光器。配备六轴联动激光三维加工系统（ARNOLD）参数如下：波长入焦距f脉冲最大功

14、率光束焦斑频率模式直径加工范围10.6 gm300mm0 5kHz3500WTEM000.286mm3000mnK 2000mnK 1000mnK ±20°X1360° X1360°3.1.2 Nd : YAG激光器焊接系统Rofin CW025 YA（激光器。配备五轴联动机械手，参数如下:波长入焦距f脉冲频率最大功率光纤长度焦斑直径10.6 gm120mm0 1kHz2500W10m0.29mm3.2实验材料CO激光器焊接：45#低碳钢（6mm厚），6061铝合金Nd:YAG激光器焊接：316L不锈钢，6061铝合金。 金相：5%肖酸、10% NaOH

15、溶液。四、实验方法4.1焊接实验焊接方式采取平板焊接方式，焊接过程中依次增大激光器功率，对比不同的 金属材料（低碳钢，铝合金）在不同功率下对焊接过程实现想象及结果。实验过 程中仔细观察实验现象，如激光焊接时的颜色、声音和产生的火花现象。实验过 程中严格记录实验数据、实验现象，由于两种激光对人眼均有伤害，实验过程中 必须严格遵守相应安全守则。4.2实验过程及实验结果421 CO 2激光器焊接实验用3500W的CO激光器对45#低碳钢，6061铝合金进行焊接，焊接过程都采 用He气保护，气体流量15L/min，用焦距300mm透镜聚焦将光斑汇聚到280um正 离焦焊接，焊接速度为2m/min。A、

16、45#低碳钢钢焊接将功率从500W开始逐步增加至3500VY共选取11个功率点进行焊接。将实验 现象及数据记入表2,激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图7、&B、 铝合金6061焊接功率从1200W开始逐步增加至3500W共选取13个功 率点进行焊接。将实验现象及数据记入表3,激光功率/功率密度与熔深、熔宽的 关系见图9、10。4.2.2 YAG激光器316L不锈钢焊接实验用2500V的 YAGk光器对45#低碳钢进行焊接，根据试样规格对机械手进行调 试，设定焊接实验程序。保护气体采用 4bar的Ar气，焊接速度为2m/min。采用 F=120m透镜，光斑为0.6mm.焊接过程中先

17、通保护气体再开光，由于 YAG激光对 人眼有很大伤害，焊接过程中必须佩戴防护眼镜。A、316L不锈钢焊接焊接功率从600V逐渐变化到1600VY共11个功率点。将实验现象及数据记入 表4,激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图11、12。B、铝合金6061焊接焊接功率从600V逐渐变化到1200W将实验现象记入表5。4.3金相分析实验选取适当位置切割试样，并进行研磨、腐蚀，之后在光学显微镜下观察焊缝 熔宽、熔深及焊缝中的缺陷，选择合适的测量标准记录数据。实验过程：选取适当位置在切割机上进行切割，在本次实验中对每一块试样进行两次切 割，并选取34个截面进行细致研磨，将磨好后的试样进行腐蚀，其中

18、45#低碳钢选择5%硝酸、酒精混合溶液，铝合金采用 NaOH溶液，腐蚀时间大概15mi n。 试样处理好后，在光学显微镜下对焊缝的熔宽、熔深及焊缝中的宏观缺陷进行测 量，将各组实验数据记录并整理记入表 2、3、4。五、实验结果及分析kn由测量中采用35格为1mm根据实验数据，利用公式35n计算不同功率情况下熔深、熔宽的平均值，其中 X为平均熔深或熔宽，kn为第n个测量点 下的格子数，为n测量点的数目。P2功率转化为功率密度的公式为:r ,其中S为功率密度，P为激光功率，r为光斑半径。利用excel绘出各焊接条件下熔深、熔宽与激光功率（功率 密度）之间的关系曲线（以激光器的功率（功率密度）为横坐

19、标，试样的熔深和 熔宽的长度为纵坐标），通过观察曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进 而进行实验分析。5.1 CO 2激光器焊接实验5.1.1 45#低碳钢钢焊接实验现象，结果及分析:表2 CO2焊接45#低碳钢熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象编号激光 功率（W功率密度2 （W/cm）实验现象熔深（mm熔宽（mm1500812427微弱黄光，无飞 溅0.310.492600974912黄光，无飞溅0.740.4937001137398先黄光，后监白 光,开始有飞溅0.910.6948001245282监白光，飞溅 开始增多1.20.6959001462368监白光，飞溅 增

20、多1.460.77610001624854先监白光，后白 光，飞溅增多1.740.77715002437281先监白光，后白 光，飞溅增多2.61820003249708白光，飞溅开 始减少3.541925004062134白光，飞溅减 少3.891.171030004874561强烈白光，飞 溅消失4.571.231135005686988强烈白光，产 生气团51.34图7熔深、熔宽与功率的关系曲线 图8熔深、熔宽与激光功率的关系曲线从表2中及图7、8中可以看出在保护气体为He,焊接速度保持在2m/min 的情况下，随着激光功率密度的提高，45#钢的材料表面会发生一系列变化， 包 括表面温度

21、升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体，同时声音也逐渐增大，飞溅增强，光亮加深，光亮刺眼更强且刺眼体积部分变大。当激光功 率密度小于600W功率密度为9.7 X 105W/cm2）,曲线变化比较平缓，金属吸收激 光能量只引起材料表层温度的升高及表层发生熔化。功率密度到达700W功率密度为1.137 X 106W/cnn）时，曲线变化加快，材料表面在激光束的辐照下发生 气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔 宽较之600W的焊接点有显着提高，即发生了跳变，在此之后，随着激光功率 的增加，熔深与熔宽之比也有较大幅度的提高。根据激光焊接模式原理，我们 得知在功率密

22、度为1.137X 106 W/cm2之前，属于热传导过程，即焊接类型为热 导焊，而在该临界点（阈值）后，熔池深宽比增大，这时焊接类型为深熔焊。5.1.2铝合金6061焊接实验现象及结果表3 CO 2焊接6061铝合金熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象编号功率（w）功率密度（w/cmi2）实验现象熔深/mm熔宽/mm110001624854黄光，光点很 小,无飞溅00212001949825黄光，光点很 小,无飞溅00.14314002274795黄光，光点较 大，无飞溅00.17416002599766先黄光，后绿 光，无飞溅00.2518002924737黄光、绿光间 杂出现，

23、无飞 溅00.29620003249708黄光、绿光间 杂出现，开始有飞溅00.29722003574678出现绿光，飞 溅较多00.29824003899649出现绿光，后 消失，飞溅逐渐增多2.112.2926004224620出现绿光，后 消失，飞溅逐渐增多2.142.231028004549591瞬间绿光，后 为黄光，飞溅增多2.292.631130004874561绿光，后黄光 变强，飞溅增 多2.42.711233005362017绿光，后黄光 变强，飞溅增2.712.71多1335005686988黄色亮光更 强有火花，飞 溅增多3.032.94图9熔深，熔宽与功率的关系曲线图1

24、0熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在对铝合金6061的焊接中，由表3,图9、10知，激光功率在1000W2200V的 七个焊接点时，熔深熔宽较小，表面仅有细微变化，在激光功率为22002400W功率密度为3.575 X 106W/cm3.900 X 106 W/c时，熔深、熔宽有了大幅度提升(突 变)，可见阈值范围在3.900 X 106 W/crm附近，即阈值之前为热导焊、阈值之后 为深熔焊。在激光功率为2200W3500W功率密度为3.575 X 106 W/cri25.687 X 106 W/cm2时，熔深熔宽的深度及宽度增长，即在一定条件范围内，随着功率的增加， 焊接深度增加。5.2 Y

25、AG激光器316L不锈钢焊接实验5.2.1 45#低碳钢钢焊接表4固体Nd: YAG激光器焊接316L不锈钢熔深，熔宽与功率 (功率密度)的实验数据编号功率(W)功率密度(W/cm2)实验现象熔深(mm)熔宽(mm)1400141471.0605黄色亮点0.20.8571432500176838.8257亮点渐渐变 亮0.20.7142863600212206.5908亮点变亮0.2571430.8285714700247574.3559亮点变亮0.2857140.85800282942.1211亮点变亮0.4142860.86900318309.8862亮点变亮0.4857140.84285

26、771000353677.6513亮点变亮0.5571430.88571481100389045.4164亮点变亮0.60.88571491200424413.1816亮点变亮0.6857140.9101300459780.9467亮点变亮0.8285710.9111400495148.7118亮点变亮1.8571431.357143121500530516.477亮点变亮1.9714291.428571图11熔深，熔宽与功率的关系曲线图12熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在实验过程中可以观察到：随着激光功率的增加，光线逐渐变亮，伴随烟尘， 蓝光的产生，并且声音逐渐增大。 但焊接的整个过程中均无

27、飞溅的产生。从表4,图11中我们可以看出，功率在增加过程中，焊接的熔深、熔宽均随之增加。如图 11、12所示，当激光加工功率在1300W1400W率密度为0.460 X 106W/crn0.495 X 106W/cmi)之间时，焊缝的深度，宽度以及深宽比有大幅度提高，而在此之前 的都比较小，因此我们推算功率的阈值约1300W1400V中间值1350W左右，功率 密度阈值约为0.478 X 106W/cnn左右。即在临界点之前可认为焊接类型为热导焊， 之后为深熔焊。522 铝合金6061焊接固体Nd: YAG激光器焊接6061铝合金无实验数据，实验过程现象 如表5所示编号激光功率（W实验现象16

28、00焊缝、火田小，亮点小，无飞溅，无声音2800焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音31000焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音41200焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音51400焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音61600焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音71800焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音82000焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音因没有切割和分析试样，焊接的深度，宽度随功率变化的数据没有，也就没 有他们之间的曲线关系。但理论上，整个过程均没有出现深熔焊，即均为热导焊， 且随着激光功率的增加，熔深和熔宽应该会

29、有小幅度的提升或变化。六、实验结论通过对四次实验数据的分析和对比，我们得到以下结论：1、在任何一种焊接方式下，随着激光功率（功率密度）的增加（其他各条件 保持不变），焊缝的熔深与熔宽都随之增大，即焊缝的尺寸与功率成正相关。其中在达到某一特定功率密度时，焊缝的尺寸会大幅度增加，深宽比也显着增大， 我们认为此时的功率密度即为热导焊向深熔焊转变的阈值。2、由于材料本身的性质，如粗糙度、对波长吸收率等特性，不同类型的金属焊接的结果也有所不同。如在本次实验中，铝合金对激光的吸收率较之45#低碳钢较低，一方面由于铝合金对激光的反射较强导致吸收率下降，另一方面则由于铝合金比45#低碳钢更容易产生等离子体屏蔽

30、的现象。3、因受到光束质量的影响，CO激光器的聚焦光斑尺寸比YA做光器要小， 因此相同功率时前者的功率密度较大，所以 CO激光器焊接质量要优于YAG光束质量测量方法一、实验目的1、了解测量光束质量的方法2、掌握基于空心探针测量原理的 PROMETE公司的LASERSCOPE UFF100 大功率光束光斑质量检测仪的使用方法。二、实验原理采用基于空心探针测量原理的 PROMETE公司的LASERSCOPE UFF1大功率 光束光斑质量检测仪测量大功率CO激光器的光束质量。如图13所示是空心探针探测法测量原理，这一方法过去是作为大功率激光光 束光斑质量检测而提出的。由一个定速电机带动空心探针转动， 探针一端有一个 微孔，