激光焊接成形实验报告

激光焊接成形实验报告激光焊接成形实验报告一、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接成形的影响规律，利用实验方法获得焦点位置，激光功率和焊接速度对激光焊接焊缝成形的硬性规律。（3）测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。二、实验内容（1）学习并掌握激光熔焊的原理，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，以及激光深熔焊焊缝成形特征。（2）利用光纤激光器焊接低碳钢样品，焊接后制备焊接横断面的金相试样，用光学显微镜观察并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点，测试焊缝容身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。三、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，一种是以CO2气体作为工作物质的激光器，称CO2激光器，可以输出10.6μm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1.06μm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（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。四、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/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。五、实验数据及分析（光纤激光实验）（1）功率对于焊缝成形的影响V=1.5m/minf=0P12345678功率/W3004005006007008009001000熔宽/mm0.70.90.91.21.21.31.21.2熔深/mm0.71.11.41.91.82.32.52.5（2)速度对于焊缝成形的影响P=1000W,f=0V12345678速度m/min0.511.523456熔宽/mm1.31.00.80.60.70.50.50.4熔深/mm2.52.42.52.52.32.11.91.8（3）焦点位置对于焊缝成形的影响00.511.522.533004005006007008009001000焊缝深度和宽度/mm激光功率/W功率对焊缝成形的影响熔深熔宽00.511.522.53123456焊缝深度和宽度/mm焊接速度/（m/min）速度对焊缝成形的影响熔深熔宽P=1000W,v=1.5m/minF12345678焦点/mm-1-2-3-4-5-6-7-8熔宽/mm1.21.41.61.71.31.21.51.2熔深/mm2.52.52.42.32.01.71.31.3F12345678焦点/mm+1+2+3+4+5+6+7+8熔宽/mm0.81.11.41.41.11.21.31.3熔深/mm2.32.42.52.42.01.41.41.0数据分析（1）焊接速度以及焊接位置确定的激光束，焊缝熔宽以及熔深会随着激光功率的增加呈增加的趋势，当功率增大到一定程度，预测产品被焊透，熔宽也会有一个阈值；（2）功率和焊接位置确定的激光束，随着激光移动速度的增加，焊缝的熔深和熔宽均00.511.522.5312345678焊缝深度和宽度/mm焦点位置/mm焦点位置f对焊缝成形的影响一熔深熔宽00.511.522.53-8-6-4-2焊缝深度和宽度/mm焦点位置/mm焦点位置f对焊缝成形的影响二熔深熔宽逐渐减小，当速度很慢时，材料被焊透切焊缝较宽，当速度较快时，材料焊不透且部分焊缝很窄；（3）焦点位置对焊缝的影响基本上呈对称趋势，其中在0焦点位置，焊缝的熔深达到最大，而熔宽则不然，在功率达到一定范围时，熔宽随着斑点直径增大而增大，增大一定范围时，外围能量不足以使焊缝金属熔化，熔宽减小。六、思考题（一）激光焊接的主要参数包括哪些，分别如何影响焊缝成形的。主要参数为焊接速度，激光的功率，焦点位置三个因素，对焊缝成形的影响如上所示。激光功率增大时，熔深增大。焊接速度增大时，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。（二）激光焊接的主要特点是什么，相对于传统钓焊接方法，存在何种优势？激光焊接又有哪些缺陷和不足？优点：（1）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。（2）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。（4）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。（5）不需真空，亦不需做X射线防护。（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。（12）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1。（14）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。缺点：（1）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。（2）设备昂贵。（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。（4）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。（6）能量转换效率太低，通常低于10%。（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。（8）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。（三）请谈谈对本次试验的认识，感想和建议。本次试验让我们对激光焊接，尤其是光纤焊有了比较形象的了解，在动手实验以及产品焊缝的分析中对影响焊缝成形的因素以及效果有了直观的认识，也是对书本中所学内容的一个补充。希望此类实验可以再今后的课程中越来越多。