2025年激光焊接技术实践与效果分析报告

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详细过程。2、观测CO₂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环节和措施，可以进行简朴的焊接操作。4、掌握金相测量措施，观测和记录焊接试验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接成果进行合理分析。5、理解激光焊接的应用。激光焊接采用持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。功率密度不不小于10⁴~10⁵W/cm²为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度不小于10⁵~10'W/cm²时，金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激光器焊接构造图。激光束激光束电荷传感器等离子体工件焊接方向背面光学传感器焊接熔池在焊接金属的过程中，伴随激光功率密度提高，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。不一样功率密度激光焊接金属材料时的重要过程如图2所示。当激光功率密度不不小于10'W/cm²数量级时，金属吸取激光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。当功率密度在不小于10⁴W/cm²不不小于10W/cm²数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度到达10W/cm²数量级时，材料表面在激光束的作用下发生气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔。同步，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功率密度不小于10'W/cm²时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传播，形成等离子体云团，出现等离子体对激光的屏蔽现象。2.2激光焊接模式能量、峰值功率和反复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池，如图3(a)所高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四面包围着固体材料(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，在低功率密度状况下，金属材料对激光的吸取仅发生在表面很薄区域内，使表面温度升高。当激光功率到达材料蒸发所需的临界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。伴随激光功率密度的升高，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增长，同步，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变化，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，促使熔池深入下陷。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，焊接深度跳跃式增长，材料对激光的吸取率将急剧增长，形成激光深熔焊接。2.4激光焊接的工艺参数激光焊的重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功率密度对于不一样的激光焊接，存在一种激光能量密度阈值，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行。假如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在小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。在传导型激当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化，在一种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，它既是区别于材料清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。2.4.4离焦量激光焊接一般需要一定的离焦量，由于激光焦点处光斑中心的功率密度过高，轻易蒸发成孔。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，当规定熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正态(或者光洁度)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。吸收率/%吸收率/%22.4.5.2温度对吸取率的影响40~50%;当靠近沸点时吸取率可高达90%,激光功率越大、作用时间越长，金属的吸取2.4.5.3表面粗糙度对吸取率的影响2.4.6焊接速度2.4.7保护气体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ii、保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射。尤其在高功电离能(eV)数如下：波长λ3.1.2Nd:YAG激光器焊接系统RofinRCWO25——YAG激光器。配置五轴联动机械手，参数如下：波长λ材料(低碳钢，铝合金)在不一样功率下对焊接过程实现想象及成果。试验过程中仔细4.2试验过程及试验成果4.2.1CO₂激光器焊接试验保护，气体流量15L/min,用焦距300mm透镜聚焦将光斑汇聚到2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、8。B、铝合金6061焊接功率从1200W开始逐渐增长至3500W,共选用13个功率点进行焊接。将试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、4.2.2YAG激光器316L不锈钢焊接试验定焊接试验程序。保护气体采用4bar的Ar气，焊接速度为2m/min。采用F=120mm透镜，光斑为0.6mm.焊接过程中先通保护气体再开光，由于YAG激光对人眼有很大伤害，焊接过程中必须佩戴防护眼镜。焊接功率从600W逐渐变化到1600W,共11个功率点。将试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600W逐渐变化到1200W。将试验现象记入表5。选用合适位置切割试样，并进行研磨、腐蚀，之后在光学显微镜下观测焊缝熔宽、熔深及焊缝中的缺陷，选择合适的测量原则记录数据。选用合适位置在切割机上进行切割，在本次试验中对每一块试样进行两次切割，并选用3~4个截面进行细致研磨，将磨好后的试样进行腐蚀，其中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1~5min。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行测量，将各组试验数据记录并整顿记入表2、3、4。由测量中采用35格为1mm,根据试验数据，运用公式计算不一样功率状况下熔深、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。功率转化为功率密度的公式为：功率转化为功率密度的公式为：光斑半径。运用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)为横坐标，试样的熔深和熔宽的长度为纵坐标),通过观测曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进而进行试验分析。表2CO₂焊接45#低碳钢熔深、熔宽与功率(功率密度)的试验数据及试验现象(W)功率密度(W/cm²)熔深(mm)熔宽(mm)1溅23先黄光，后蓝白4始增多5蓝白光，飞溅增多6先蓝白光，后白光，飞溅增多7先蓝白光，后白光，飞溅增多18白光，飞溅开始减少19白光，飞溅减少消失强烈白光，产生气团554320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的状况下，伴随激光功率密度的提高，45#钢的材料表面会发生一系列变化，包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体，同步声音也逐渐增大，飞溅增强，光亮加深，光亮耀眼更强且耀眼体积部分变大。当激光功率密度不不小于600W(功率密度为9.7×10⁵W/cm²),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升高及表层发生熔化。功率密度抵达700W(功率密度为1.137×10W/cm²)时，曲线变化加紧，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的焊接点有明显提高，即发生了跳变，在此之后，伴随激光功率的增长，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，我们得知在功率密度为1.137×10⁶W/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。编号功率(w)功率密度1002030405黄光、绿光间杂出现，无飞0溅6黄光、绿光间杂出现，开始07出现绿光，飞溅较多08出现绿光，后渐增多9出现绿光，后渐增多瞬间绿光，后增多变强，飞溅增多变强，飞溅增多增多321功率密度(W/cm2)--系列2在对铝合金6061的焊接中，由表3,图9、10知，激光功率在1000W~2200W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2200~2400W、功率密度为范围在3.900×10⁶W/cm²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2200W~3500W、功率密度为3.575×10⁶W/cm²~5.687×10⁶W/cm²时，熔深熔宽的深度及宽度增长，即在一定条件范围内，伴随功率的增长，焊接深度增长。5.2.145#低碳钢钢焊接编号功率(W)熔深(mm)熔宽(mm)1黄色亮点23456789在试验过程中可以观测到：伴随激光功率的增长，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飞溅的产生。从表4,图11中我们可以看出，功率在增长过程中，焊接的熔深、熔宽均随之增长。如图11、12所示，当激光加工功率在1300W~1400W(功率密度为0.460×10W/cm²~0.495×10°W/cm²)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，因此我们推算功即在临界点之前可认为焊接类型为热导焊，之后为深熔焊。5.2.2铝合金6061焊接编号激光功率(W)12345678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，且伴随激光功率的增长，熔深和熔宽应当会有小幅度的提高或变化。通过对四次试验数据的分析和对比，我们得到如下结论：1、在任何一种焊接方式下，伴随激光功率(功率密度)的增长(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有关。其中在到达某一特定功率密度时，焊缝的尺寸会大幅度增长，深宽比也明显增大，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、由于材料自身的性质，如粗糙度、对波长吸取率等特性，不一样类型的金属焊接的成果也有所不一样。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，首先由于铝合金对激光的反射较强导致吸取率下降，另首先则由于铝合金比45#低碳钢更轻易产生等离子体屏蔽的现象。3、因受到光束质量的影响，CO2激光器的聚焦光斑尺寸比YAG激光器要小，因此相似功率时前者的功率密度较大，因此CO2激光器焊接质量要优于YAG。1、理解测量光束质量的措施光束光斑质量检测仪的使用措施。采用基于空心探针测量原理的PROMETEC企业的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑质量检测仪测量大功率CO₂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，这一措施过去是作为大功率激光光束光斑质量检测而提出的。由一种定速电机带动空心探针转动，探针一端有一种微孔，探针转动时微孔对光束(光斑)的某一横截面进行扫描，这样就可以获得激光功率(横截面分布)随时间变化的信息。探针是该仪器的关键部件，包括微孔、内光腔、反射镜等部分，微孔的大小由被测激光光束(光斑)的功率密度确定，直径约为20~50μm。在选择探针材料时要考虑到抗高功率的激光损伤，此外，为了实时在线测量，探针的直径应尽量小，使测量时的光能量损耗不不小于1%。入射光束通过微孔，通过探针的两个倾斜的反射镜反射到热释电探测器上，获得激光的强度。光束光束测量仪包括传感器、机械装置、信号的提取与放大、控制电路、数据处理及显示等部分构成，其信号采集与处理系统原理图如图14所示。PCPC机1转动电机驱动电路步进电机外部数据外部程序存储器放大电路电路机械装置包括迅速平动和高速转动两部分。迅速平动装置是为了实现自动测量而设计的，其目的是使探针微孔在测量过程中能自动对准光束(光斑)的中心截面，平动装置由步进电机驱动精密丝杆，以保证位移精度。采用高速转动电机(1500r/min以上)是为了提高探针的抗激光损伤阈值，并且测量到激光功率频率上限值由其最高转速确定。测量仪的工作是在高速单片机芯片80C320的控制下完毕的。热释电探测器的输出反应了入射激光功率的大小，将该信号转换成电压信号后，经放大、滤波处理，送A/D转换器，转换成数字量后