激光焊接实验报告讲解

激光焊接试验报告试验目的1、理解激光焊接的根本原理及特点，生疏运用激光进展金属焊接的具体过程。2、观看COYAG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、把握激光焊接机床及机械手的根本操作步骤和方法，能够进展简洁的焊接操作。4、把握金相测量方法，观看和记录焊接试验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进展合理分析。5、了解激光焊接的应用。二、试验原理2.1激光焊接原理激光焊接承受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104~105W/crn为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm时，金属外表受热作用下凹成“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激光器焊接构造图。1CO2激光器焊接构造图面温度上升、熔化、气化、形成小孔并消灭光致等离子体。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/cm2数量级时，金属吸取激光能量只引起材料表层温度的上升， 并没有发生熔化。当功率104W/cm106W/cm数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度到达106W/crn数量级时，材料外表在激光束的作用下发生气化，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。同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功107w/cm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，消灭等离子体对激光的屏蔽现象。2不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程2.2 激光焊接模式依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。、激光热传导焊接激光加热加工外表，外表热量通过热传导向内部集中，通过掌握激光脉冲的宽度、能3(a)所示。当焊材料的吸取率将不再仅与激光波长、金属特性和材料外表状态有关，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。、激光深熔焊接激光深熔焊接一般承受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像，即能量转换机制是通过“小孔”构造来完成的。在足够高的功率密度激光照耀下，材料产生蒸发并形成小孔。这个布满蒸汽的小孔如同一个黑体，几乎吸取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。小孔内布满在光束照耀下壁体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外表，然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流淌和壁层外表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淌，随着光束移动，小孔始终处于流淌的稳定状态。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3(b生得如此快，使焊接速度很简洁到达每分钟数米。a激光热导焊示意图激光束自聚焦过程激光束作用金属材料外表时，在低功率密度状况下，金属材料对激光的吸取仅发生在外表很薄区域内，使外表温度上升。当激光功率到达材料蒸发所需的临界功率密度时，金属外表开头发生蒸发。随着激光功率密度的上升，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，熔池外表的曲率半径将减小，如图 4所示。由于熔池外表下陷，形成凹坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生转变，凹陷的熔池使入射激光经反射后会聚于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金属蒸发加剧，产生的反冲压力上升，促使熔池进一步下陷。当材料的蒸发压力到达某一临界值时，蒸汽产生的反冲压力使下陷的熔池陡然形成小孔，焊接深度跳动式增长，材料对激光的吸取率将急剧增加，形成激光深熔焊接。激光焊接的工艺参数

4激光束自聚焦示意图激光焊的主要工艺参数包括脉冲能量、脉冲宽度〔脉宽〕焦量或焦点位置等。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，一旦到达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展。假设激光功率低于此阈值，工件仅发生外表熔化，也即焊接以稳定热传导型进展。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件四周时，深熔焊和传导焊交替进展，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 104~106W/cmi，在激光深熔焊接的功率密度在108~1010W/cml激光脉冲波形60~98%勺激光能量反射而损失掉，且反射率随外表温度变化，在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区分于材料去除和材料熔化的重要参数，也是打算加工设备造价及体积的关键参数。离焦量成孔。离开激光焦点的各平面上，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，承受负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。如图5所示。

5激光束的离焦量定义材料对激光的吸取取决于材料的一些重要性能，如吸取率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸取率。影响材料对激光光束的吸取率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光外表的吸取率测量觉察，材料吸取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，材料的外表状态〔或者光滑度〕对光束吸取率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。波长对吸取率的影响Ap存在如下关系：A=0.365*-Y九。从图6中得：固体金属外表对激光的反射性较强，这是由于金属对激光的吸取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，次波又造成猛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。030

YAG激光

CQ；戳2 50 2o.O,15 00.1 0.2030,50^81 2 4 68W20波长/pE6室温下不同金属对不同波长激光的吸取率245.2温度对吸取率的影响随着温度上升，在激光作用下金属的吸取率与温度的关系可由下面的公式描述：A(TA°+r(T-T。)，从理论上，材料对激光的吸取率随温度的上升而增大,金属材料在室温下的吸取率都比较小，当金属温度到达熔点产生熔融和气化后，吸取40~50%90%激光功率越大、作用时间越长，金属的吸取率越高。2.4.5.3外表粗糙度对吸取率的影响材料的外表状况如：粗糙度、氧化层和缺陷等对激光的反射率影响很大。因此增大材料外表粗糙度可以提高材料对激光的吸取率。 当粗化外表微观不平度达到波长量级左右时，材料对激光的吸取率变化较大。但随着温度的上升， 这种现象将削减，甚至为零。焊接速度化、工件焊穿。所以，对肯定激光功率和肯定厚度的某特定材料有一个适宜的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。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外表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，由于其喷出物变得格外有力，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。金属蒸汽吸取激光束电离成等离子云，金属蒸汽四周的保护气体也会因受热而电离。假设等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为其次种能量存在于工作外表，使得熔深变浅、焊接熔池外表变宽。通过增加电子与离子和中性原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。材料原子份子〕量氨4V〕材料原子份子〕量氨4V〕24.46氨401568氮28145铝275.96镁24761铁56783从表可知，等离子体云尺寸与承受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。造成这种差异的缘由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集中差异。三、试验设备和试验材料试验设备及其参数CO 激光器焊接系统2Rofin:SlabDC035CO激光器。配备六轴联动激光三维加工系统波长入f脉冲波长入f脉冲频率最大功率光束模式焦斑直径加工范围10.6gm300mm0~5kHz3500WTEMoo0.286mm3000mrrX2023mrrX1000mrrX±20Xi360oX1360°°Nd:YAG激光器焊接系统RofinCW025――YA〔激光器。配备五轴联动机械手，参数如下:波长入波长入f脉冲频率最大功率光纤长度焦斑直径10.6gm120mm0 1kHz2500W10m0.29mm试验材料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溶液。四、试验方法焊接试验焊接方式实行平板焊接方式，焊接过程中依次增大激光器功率，比照不同的金属材料〔低碳钢，铝合金〕在不同功率下对焊接过程实现想象及结果。试验过程中认真观看试验现象，如激光焊接时的颜色、声音和产生的火花现象。试验过程中严格记录试验数据、试验现象，由于两种激光对人眼均有损害，试验过程中必需严格遵守相应安全守则。试验过程及试验结果421CO 激光器焊接试验23500WCO45#低碳钢，6061铝合金进展焊接，焊接过程都采用He15L/min300mm280um正离焦焊接，2m/min。A、45#低碳钢钢焊接500W3500VY11个功率点进展焊接。将试验现象2,激光功率/7、&B60611200W3500W13个功率点进展3,激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图9、10。4.2.2YAG316L不锈钢焊接试验2500V的YAGk45#低碳钢进展焊接，依据试样规格对机械手进展调试，4barAr2m/minF=120m透0.6mm.焊接过程中先通保护气体再开光，由于YAG激光对人眼有很大损害，焊接过程中必需佩戴防护眼镜。A、316L不锈钢焊接600V1600VY11个功率点。将试验现象及数据记入表4,激光功率/11、12。B6061焊接600V1200W5。金相分析试验深及焊缝中的缺陷，选择适宜的测量标准记录数据。试验过程：选取适当位置在切割机上进展切割，在本次试验中对每一块试样进展两次切割，并选取3~4个截面进展细致研磨，将磨好后的试样进展腐蚀，其中 45#低碳5%硝酸、酒精混合溶液，铝合金承受NaOH1~5min。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展测量，将各组试验2、3、4。五、试验结果及分析””kn由测量中承受35格为1mm依据试验数据，利用公式 35n计算不同功率状况下熔深、熔宽的平均值，其中X为平均熔深或熔宽,knn个测量点S为功率密度,功率转化为功率密度的公式为: P为激光功下的格子数，为n测量点的数目率，rexcel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〕为横坐标，试样的熔深和熔宽的长度为纵坐标〕，通过观看曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进而进展试验分析。CO 2激光器焊接试验45#低碳钢钢焊接试验现象，结果及分析:编号率〔W功率密度试验现象熔深〔mm编号率〔W功率密度试验现象熔深〔mm熔宽〔mm2〔W/cm〕微弱黄光，37001137398先黄光，后监白光,开头有飞溅监白光，增多监白光，0.910.69480012452821.20.69590014623681.460.77先监白光，后白光，飞溅增多先监白光，后白光，飞溅增多白光，飞溅开头削减1.740.772.613.5419250040621343.891.171030004874561白光，飞溅减少猛烈白光，消逝猛烈白光，产生气团4.571.23113500568698851.3415008124270.310.492600974912黄光，无飞溅0.740.49610001624854715002437281820233249708C0245#不锈钢6543210mm(宽俗 —＞一熔深〔mr〕深熔 -■-熔宽〔mm2023功率〔W〕

40007熔深、熔宽与功率的关系曲线CO245#不锈钢

T—熔深〔m〕熔宽〔mr〕帀{宽筛深熔8熔深、熔宽与激光功率的关系曲线从表2中及图78中可以看出在保护气体为He,焊接速度保持在2m/min的状况下，随着激光功率密度的提高，45#钢的材料外表会发生一系列变化，包括外表温度上升、熔化、气化、形成小孔并消灭光致等离子体，同时声音也逐渐增大，飞溅增加，光亮加600W9.7X105W/crf2〕，曲线变化比较平缓，金属吸取激光能量只引起材料表层温度的上升及表层发生熔化。功率密度到达 700W功率C密度为1.137X10W 〕〕时，曲线变化加快，材料外表在激光束的辐照下发生气化，C600W的焊接点有显著提高，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1.137X106W/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。6061焊接试验现象及结果3CO26061铝合金熔深、熔宽与功率〔功率密度〕的试验数据及试验现象功率密度编号功率〔w〕〔w/cm2〕熔深/mm熔宽/mm110001624854试验现象无飞溅无飞溅无飞溅无飞溅黄光、绿光间杂消灭，无飞溅0021200194982500.1400.1700.251800292473700.2962023324970822003574678消灭，开头有飞溅较多00.29700.29消灭绿光，后消8910111213314002274795416002599766失，飞溅逐24003899649渐增多2.112.2消灭绿光，后消失，飞溅逐26004224620渐增多瞬间绿光，后为2.142.23黄光，飞溅28004549591增多2.292.63绿光，后黄光变30004874561强，飞溅增多2.42.71绿光，后黄光变33005362023强，飞溅增多2.712.71黄色亮光更强有35005686988火花，飞溅增多3.032.94CO26061铝合金)mm(宽 .熔深/mm—■—熔宽深熔9熔深，熔宽与功率的关系曲线

/mm功率〔W〕C026061铝合金10熔深，熔宽与功率密度的关系曲线>EE{宽深筛 ■系列1深熔 ■系列2功率密度〔W/cm2〕在对铝合金6061的焊接中，由表3,图9、10知，激光功率在1000W~2200V的七个焊接点时，熔深熔宽较小，外表仅有微小变化，在激光功率为 2200~2400W功率密度为3.575X10W/cm~3.900X106W/c〔突变，3.900X106W/crm四周，即阈值之前为热导焊、阈值之后为深熔焊。2200W~3500W3.575X106W/cn2~5.687X106W/cm2时，熔深熔宽的深度及宽度增长，即在肯定条件范围内，随着功率的增加，焊接深度增加。YAG316L不锈钢焊接试验45#低碳钢钢焊接316L不锈钢熔深，熔宽与功率

〔功率密度〕的试验数据编号功率(W)(W/cm2)试验现象熔深(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0.4857140.84285771000353677.6513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1.8571431.35714312121500530516.477亮点变亮1.9714291.428571功率密度400 600 图11000的关系1功率密度

1400 1600O12熔深，熔宽与功率密度的关系曲线411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，1300W~1400V0.460X106W/crn~0.495X106W/cm〕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1300W~1400V1350W0.478X106W/cnm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。6061焊接编号1激光功率〔W600试验现象焊缝、火田小，亮点小，无飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音Nd:YAG编号1激光功率〔W600试验现象焊缝、火田小，亮点小，无飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，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616007180082023之间的曲线关系。但理论上，整个过程均没有消灭深熔焊，即均为热导焊,且随着激光功率的增加，熔深和熔宽应当会有小幅度的提升或变化。六、试验结论通过对四次试验数据的分析和比照，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。其中在到达某一特定功率密度时，焊缝的尺寸会大幅度增加，深宽比也显著增大，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、对波长吸取率等特性，不同类型的金属焊接的结果也有所不同。如在本次试验中，铝合金对激光的吸取率较之 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取率下降， 另一方面则由于铝合金比45#低碳钢更简洁产生等离子体屏蔽的现象。3COYA〔一样功率时前者的功率密度较大，所以COYAG光束质量测量方法试验目的12、把握基于空心探针测量原理的PROMETELASERSCOPEUFF100大功率光束光斑质量检测仪的使用方法。试验原理承受基于空