CO2激光焊接成形实验报告

1、CO2激光焊接成形实验报告班级：机械93姓名：韵勤柏学号：2009010479实验日期：2012年11月8日1. 实验目的(1) 了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理，特别要掌握激光深熔焊的原理。(2) 了解激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律，利用实验方法获得焦点位置、激光功率和焊接速度等对激光焊接焊缝成形的影响规律。(3) 测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。2. 实验内容(1) 学习并掌握激光深熔焊接的原理，主要包括小孔的形成、等离子体的产生和对焊接过程的影响，以及激光深熔焊接的焊缝成形特征。(2) 利用2kW光纤激光器焊接低碳钢样品，焊后制备焊接横断面的金相试样，用光学显

2、微镜观察并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点，测试焊缝熔深和焊缝宽度随焦点位置、激光功率和焊接速度的变化规律。(3) 测量焊缝断面面积，得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响。3. 实验原理激光焊接是一种利用高能量密度的激光束进行材料连接成形的方法。激光束经聚焦后可达到极高的功率密度，比常规热源的功率密度至少要高出两个数量级，因此激光可以熔化甚至汽化任何材料，可进行局部区域的微细焊接；焊接过程输入的线能量小，因此热影响区和热变形均很小；焊接速度高，可大大提高生产效率；光束易于传输，容易实现焊接自动化。激光焊接系统一般由激光器、光路传输和聚焦系统、工作台组成。常用的大功率激光器主要有两类，一种是

3、以CO2气体作为工作物质的激光器，称CO2激光器，可以输出10.6m波长的连续或脉冲激光；另一种是以掺钕钇铝石榴石晶体为工作物质的固体激光器，简称Nd: YAG或YAG激光器，可以输出1.06m波长的连续或脉冲激光。激光焊接可以两种模式进行，一种是基于小孔效应的激光深熔焊，另外是基于热传导方式的激光热导焊。激光深熔焊的原理如下：当功率密度高于5×105W/cm2的激光束照射在金属材料表面时，材料产生蒸发并形成小孔。深熔焊过程产生的金属蒸汽和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体，这个充满金属蒸汽和等离子体的小孔就像一个黑体，入射激光进入小孔后经小孔壁的多次反

4、射吸收后可达到90%以上的激光能量被小孔吸收，小孔周围的金属就是被小孔臂传递的能量所熔化。随着光束的移动，小孔前壁的液态金属材料被连续蒸发，小孔就以一种动态平衡的状态向前移动，包围小孔的熔融金属沿小孔周围向后流动，随后冷却并凝固形成焊缝。激光热导焊则是在功率密度低于5×105W/cm2下，基于热传导的焊接方法。由于通常情况下金属对激光的反射率较高，因此这种焊接方法获得的焊缝熔深很小。在激光焊接中，激光功率、焊接速度和焦点位置是影响焊缝成形的主要参数，另外保护气体种类和流量也对焊缝成形产生重要影响。焦点位置是指光束焦点距工件表面的相对距离，定义焦点在工件表面以下为正（称入焦），反之为负

5、（称离焦）。焊缝成形参数主要包括熔深和焊缝宽度，激光焊接时，在同样的激光功率和焊接速度下，不同的焦点位置会影响聚焦光斑大小，从而影响作用在工件表面的激光功率密度，其结果会形成不同深度的小孔甚至不能形成小孔效应，产生不同熔深的焊缝。激光功率和焊接速度直接影响了输入的线能量，会导致焊缝成形的变化。4. 实验步骤全体同学自行分为三组，分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度研究各参数对焊缝成形的影响。具体实验步骤如下：（1）准备低碳钢试样100mm×60mm×3mm若干块，表面用砂纸打磨去锈，并用丙酮清洗干净。在每块试样上划出焊接位置。 （2）焊前调节Ar气流量，轴向气体400L

6、/h。（3）将工件装卡好，启动数控机床并调整焊接喷嘴位置，完成机床编程。（4）严格按照操作规程启动激光器。（5）各组分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度，进行激光焊接，得到不同的焊缝，每组分别改变参数5次，保证焊接过程从热导焊变化到深熔焊，总共15条焊缝。焊接过程中仔细观察不同状态下的焊接特点及等离子体的声光特征。（6）焊后将试样取出，记录实验时间和所用激光器机时，关闭激光器和数控机床，并清扫工作台。（7）将试样沿横断面剖开，并制备金相试样，利用显微镜测量焊缝宽度和深度。（8）课后完成实验报告并回答思考题。5. 实验数据与分析实验得到的激光功率P、焦点位置f及焊接速度v对焊缝熔宽和熔深的影

7、响数据如下表所示。表格 1 激光功率P对焊缝成形的影响（f=0，v=1.5m/min）试样编号12345678功率P/W3004005006007008009001000熔宽/mm0.70.91.01.10.60.60.80.8熔深/mm0.81.21.51.81.92.13.03.0表格 2 焊接速度v对焊缝成形的影响（f=0，P=1000W）试样编号12345678速度v/(m/min)0.51.01.52.03.04.05.06.0熔宽/mm2.61.51.01.00.70.50.50.4熔深/mm3.03.03.02.72.22.01.71.7表格 3 焦点位置f-对焊缝成形的影响（P

8、=1000W，v=1.5m/min）试样编号12345678入焦f/mm0-1-2-3-4-5-6-7熔宽/mm0.70.80.91.01.21.11.11.2熔深/mm3.03.02.52.21.91.51.31.1表格 4 焦点位置f+对焊缝成形的影响（P=1000W，v=1.5m/min）试样编号12345678入焦f/mm01234567熔宽/mm1.11.21.21.20.90.60.40.8熔深/mm3.03.03.02.51.71.41.21.1根据以上各表所列数据，可做出如下所示的焊缝熔宽和熔深随激光功率P、焊接速度v及焦点位置f的变化曲线。图 1 激光功率P对焊缝成形的影响图

9、 2 焊接速度v对焊缝成形的影响图 3 焦点位置f-对焊缝成形的影响图 4 焦点位置f+对焊缝成形的影响由于焦点位置不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。一定的离焦量可以使光斑能量的分布相对均匀，同时也可以获得合适的功率密度。尽管正负离焦量相等时，相应平面上的功率密度相等，然而，两种情况下所得到的焊点形状却不相同。负离焦时，小孔内的功率密度比工件表面的高，蒸发更加强烈。因此，要增大熔深时，可以采用负离焦；而焊接薄材料时，则宜采用正离焦。在大多数激光焊接场合，通常将焦点位置设置在工件表面下大约所需熔深的1/4处。激光功率主要影响熔深，当

10、光斑直径保持不变时，熔深随入射光束功率的增加而变大。在其他条件相同时，高功率激光焊接获得的熔深大。在维持小孔效应的最低临界焊速下，可得到最大熔深。分析焊接速度对焊缝成形的影响时，可借助线能量的概念。线能量是单位长度焊缝接受的激光能量。焊接速度大时，焊缝的线能量小，因而熔深下降；反之，可以获得较大的熔深。激光焊接时，要依据材料的热物理性质、接头形式和零件厚度等条件选择焊接速度，应能使材料吸收到足够的激光能量，实现充分的熔化，获得理想的熔深。6. 思考题（1） 激光焊接中的主要参数包括哪些，分别是如何影响焊缝成形的？答：主要参数包括激光功率、焊接速度和焦点位置。激光功率增大时，熔深增大。焊接速度增

11、大时，熔深及熔宽均下降。当焦点位于工件较深部位时，形成V形焊缝；当焦点在工件以上较高距离（正离焦量大）时，形成“钉头”状焊缝，且熔深减小；而当焦点位于工件表面以下1mm左右时，焊缝截面两侧接近平行。（2）激光焊接的主要特点是什么，相对传统的焊接方法（如电弧焊），存在何种优势？激光焊又有哪些缺陷和不足？答：与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点：（a）聚焦后的激光具有很高的功率密度（105107W/cm2或更高），焊接以深熔方式进行；由于激光加热范围小（<1mm），在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度高，热输入小，热影响区小，焊接应力和变形小。（b）激光能发射、投射，能在空间传播相当距离而

12、衰减很小，可以进行远距离或一些难以接近的部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。（c）一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，一机多用。（d）激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。（e）可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于陶瓷、有机玻璃等非金属材料的焊接；焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感的材料的焊接。（f）属于非接触焊接，接近焊区的距离比电弧焊的要求低，焊区材料的疲劳强度比电子束高。目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍