（机械制造及其自动化专业论文）厚钢板的激光焊接工艺技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文系统地分析了激光焊接的应用及其发展概况，并从高功率c 0 2 激光器的 工作原理以及光束质量对激光加工的影响及其深熔焊的“小孔效应”等方面阐述 了激光焊接原理。高功率c 0 2 激光器深熔焊的基本特征是“小孔效应”形成和光 致等离子体的产生。 本文旨在研究低碳厚钢板的激光焊接工艺，为企业的工业化应用提供技术支 持和参考，试验工作所采用的主要设备为高功率横流c 0 2 激光器，激光功率o 5 k w 连续可调。 试验中针对影响低碳厚钢板激光焊接的主要因素进行了试验，并对焊接试样 进行了拉伸试验、金相分析和显微硬度分析，从宏观和微观的角度分析了工艺参 数对深熔焊的焊缝的影响。 i 关键词：厚钢板，激光焊接，焊接参数，先进制造技术，c 0 2 激光器 至苏大学矮学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sr e v i e w st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt 矗o ft h el a s e r w e l d i n gr e s e a r c hw o r k t h ep a p e rw i l lt h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h em e c h a n i s mo fc 0 2 l a s e rw o r ka n dq u a l i t yo fb e a mo fl i g h ta n d “k e yh o l e ”f o r m a t i o n t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c sa r et h e k e yb o l e a n dt h eg e n e r a t i o no f l a s e r - i n d u c en a s m ad u r i n gh i g h p o w e rc 0 2l a s e rw e l d i n g i nt h i sa r t i c l e ，t h er e s e a r c hw a sm a d eo nt h el a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s o ft h em i l dt h i c ks t e e l a n dt h er e s e a r c ho f f e r e dt e c h n o l o g yr e f e r e n c et oa p p l y i n gt h e l a s e rp r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a t i o na d o p t e dt h e5k wh i g hp o w e r 仃a n s v e r s ef l o w c 0 2l a s e rp r o c e s s i n gs y s t e m t h ep r i m a r yf a c t o r st h a tm i l dt 嫩c ks t e e lw e l d e db yl a s e rh a v eb e e ns t u d i e di nt h e e x p e r i m e n t t e n s i l et e s ta n dm e t a l l u r g ya s p e c ta n dm i c r o h a r d n e s st e s tw e r ec o n d u c t e d o nt h el a s e rw e l d e dj o i n t t e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fi n f l u e n c eo nl a s e rw e l d i n gw e r e a n a l y z e df r o mt h em a c r o s c o p i c a ia n dm i c r o c o s m i cp o i n to f v i e w k 姆w o r d s ：t h i c ks t e e lp l a t e ，l a s e rw e l d i n g ， w e l d i n gp a r a m e t e r s ， a d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , c 0 2l a s e r 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 6 0 年，美国的梅曼( m a i m a n ) 首先在实验室用红宝石晶体获得了激光输出， 此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。 不同种类的激光器件的大量涌现，使激光技术满足了不同行业的需要。 随着激光器的发明而出现激光这种新能源，激光焊接技术就是随之而发展起 来的，是激光应用的重要方面之一，1 9 6 2 年和1 9 6 3 年，已经有关于激光焊接应 用的报道，随后各国学者又做了许多激光焊接方向的基础性研究工作。以高能量 的激光束为热源的精密焊接技术，已经在航空航天、汽车制造、机车、船舶、容 器结构、电子轻工业等行业获得了日益广泛的应用。与传统的焊接方法相比，激 光焊接具有很多特点：焊接速度快、生产效率高，深熔焊的焊缝深宽比大，热输 入量小从而使焊接接头热影响区小，工件焊接变形极小，几乎没有连接间隙，焊 接质量比传统焊接方法高。随着大功率激光器的出现，激光焊接的板厚已从零点 几毫米提高到5 0 毫米。 近年来，日本的川崎钢铁公司采用激光焊接系统用于厚度1 2 r n m 6 m m 、宽 1 6 5 0 m m 的钢板生产线，投资成本仅为原来闪光焊的2 3 ，而焊接质量大大提高。 该公司还应用l o k wc 0 2 激光，焊接厚度达8 m m 的不锈钢板，与传统方法相比， 接头反复弯曲次数增加2 倍【3 1 。美国福特汽车公司采用6 k w 激光加工系统将冲压 的板材拼焊成汽车底架，并用5 k wc 0 2 激光将6 根轴与锻出来的齿轮焊接在一起， 成为轿车自动变速箱的齿轮架部件，生产效率为2 0 0 件1 1 。意大利菲亚特公司用 激光焊接汽车同步齿轮，费用比老设备高一倍，而生产效率提高了5 7 倍【4 】。 目前各大汽车制造厂竞相采用激光焊接变速器从动齿轮与接合齿圈，与电子 焊、感应焊和电子束焊相比，激光焊无需在真空环境中进行，不仅可以避免焊接 变形，保证焊接后的齿轮质量，使焊缝深宽比高达1 0 ：1 ，且焊缝具有相当或优于 母材的综合机械性能，保证齿轮能够传递较大的扭矩嘲。 我国通过“六五”“七五”、“八五”攻关，激光器功率已达2 l o k w ，且光 束质量有所提高，已成功地应用于汽车同步齿轮焊接，不锈钢管、管板焊接等许 多方面【6 】。2 0 0 2 年1 0 月上旬，由武汉华工激光工程有限责任公司制造的我国首套 国产激光焊接设备在武钢集团硅钢厂酸洗机组线上安装和调试成功。这一成果结 i 江苏大学硕士学位论文 束了我国钢厂在线拼焊系统设备全部依赖进口的历史。 汽车工业的激光拼焊板技术是6 0 年代日本本田汽车公司利用边角料做车身 侧内板而采用的一项技术，7 0 年代美国福特汽车公司采用激光焊接技术，进行车 身钢板的拼焊，未走向商业化，8 0 年代社会对汽车性能和功能的要求越来越高， 如节能、环保和安全，a u d i l 0 0 车底板成功运用了宽幅拼焊板，激光拼焊板才进 入高速发展阶段。在国内，部分汽车企业，如上海大众、一汽大众都运用了激光 拼焊板技术。 激光焊接技术属于绿色制造技术范畴，是非接触加工，无工具磨损，无切削 力作用于工件，加工过程无冲击噪声、无污染。在焊接过程不需要电极和填充材 料，焊接区几乎不受污染。通过外光路系统可以使激光光束改变方向，与具有数 控装置的机床连接起来，构成各种灵活的加工系统，从而实现精确定位及自动焊 接，进行多工位的加工。 激光焊接厚钢板不同于薄板，它不仅对激光器输出的光束质量、导光聚焦系 统的稳定性提出更苛刻的要求，而且必须很好地解决光致等离子体的检测与控制 问题。 1 1 项目研究的背景 激光焊接是利用高能量密度的激光束作为能源，是一种非接触加工的高能束 流( h i g he n e r g yd e n s i t yb e a m h e d b ) 加工技术，世界上工业发达国家将h e d b 加工技术誉为“二十一世纪的加工技术”，“将为材料加工和制造技术带来革命性 变化”。 从总体方面看，随着大功率c 0 2 激光器技术的发展，在发达国家，激光焊接 已达到较高水平，激光深熔焊技术已经开始广泛应用于汽车、钢铁、船舶、航空 航天和核电站结构件等行业领域，并且还呈现快速发展的趋势。在国内，激光焊 接虽然在一些行业得到应用，但在l m m 以上的厚钢板的激光焊接工艺的研究方 面才刚刚起步，主要有以下两方面的原因，一是国内大功率激光器研制和生产相 对落后，二是激光焊接一次性投入太大，国内企业技术更新的积极性不高。但随 着国内激光器研制与生产水平的提高和市场竞争加剧，激光焊接技术必然会以其 优越的技术优势替代传统的焊接技术，这些共识逐渐会被企业界所认同。 2 江苏大学硕士学位论文 厚钢板的焊接加工占总加工的比重很大，且激光焊接的焊缝机械强度高，易 于实现自动控制，提高劳动效率，降低劳动强度，改善工作环境，同时也是集光、 机、电和计算机信息等多门学科领域交叉的高新技术。 与先进工业国家相比，我国在激光焊接方面还有较大差距，其重要原因是： 1 ) 光束质量优良的高功率c 0 2 激光器的技术水平和可靠性达不到国际先进水 平：2 ) 焊接、质检等成套设备不配套；3 ) 设备、工艺结合不好；4 ) 缺乏正确 的技术培训和指导。 为了满足国内激光焊接需求的不断扩大，国内激光加工设备制造商在不断开 发具有自主知识产权的国产激光焊机及其配套系统。目前具备生产激光成套设备 的科研院所有北京镭宝激光有限公司、上海光机所、华中科技大学、武汉金石凯 激光技术有限公司、南京东方激光有限公司、中科院、天津大学精密仪器学院等。 我国目前生产的c 0 2 激光器最大功率达l 万瓦。 发达国家的激光器生产朝着三个方向发展：1 ) 高功率，国外已生产出1 0 万 毋 瓦以上的高功率激光器；2 ) 激光脉冲重复频率可达几十赫兹；3 ) 激光器小型化。 1 2 厚钢板激光焊接技术的研究和应用发展 激光焊接最突出的特点，即以其极高的功率密度可以产生窄而深的焊缝和获 得很快的冷却速度，使得激光焊接在大规模生产和高质量产品要求的市场上具有 极强的竞争力。 在国内，高能束流焊接越来越引起相关人士关注，在设备水平上，与国外有 一定差距，但在工艺研究上，水平则较为接近，甚至在某些方面还有自己的特色。 国内对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检 测、控制、深熔激光焊接模拟、激光一电弧复合热源的应用、激光堆焊等。清华 大学从声和电的角度，分析了熔透状态的声信号，提出了激光焊接等离子体的等 效电路及电特性数学模型：在抑制等离子体的负面效应方面，清华大学张旭东、 陈武柱等提出了侧吸法；国家产学研激光技术中心的肖荣诗、左铁铡l 提出了双层 内外圆管吹送异种气体法；西北工业大学的刘金合提出了外加磁场法。 江苏大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本项目是作为市级科技合作项目，以江苏大学多年来的先进的激光焊接技术 和理论研究为基础，结合企业生产实际，主要研究利用高能激光束焊接不同厚度 钢板的新技术、新工艺以及自动化控制与质量检测等。该项目技术不仅可以克服 传统焊接技术中焊缝质量不高、焊接需要焊料、焊缝较宽以及焊缝强度低等缺陷， 而且具有焊接质量高、焊接速度快、热影响区小、无污染及任何接触、易实现自 动化等特点。可以极大地提高生产效率， 过工艺技术的更新改造，提升产品品质， 竞争力。 降低生产成本。从产品制造的角度，通 从而提高企业产品在国内外同行业中的 1 ) 改造了原有的激光器的光路，使之能够适用于焊接厚钢板的激光焊接； 2 ) 选用了a 3 系列的1 5 m m 、3 m m 、4 m m 、5 m m 规格的钢板作为激光焊接的研 究对象，优化了激光焊接参数，如激光功率密度、焊接速度、离焦量、等离 子体的抑制和保护性气体的选择，优化出了最佳工艺参数； 3 ) 完成了激光焊接工艺的自动化控制编程； 4 ) 完成了焊缝区质量的检测与控制，如焊缝熔深、抗拉强度、气孔和金相组织 等。 1 4 项目研究目的及意义 镇江晨通公司是工程机械制造的企业，专业生产各种路面机械，公司所属路 面机械研究所已创建为省级技术中心，c a d 设计技术覆盖率已达1 0 0 ，已经实 施c a p p 、p d m 、e r p 等技术，从而对公司管理进行升级。这些先进水平的管理 方式，为新产品的研究、开发、试验工作和实施产品的高新技术产业化提供了必 备条件。 新产品的研究开发出来，真正的目的是为了市场的竞争，尤其是近几年国内 企业大举进入路面机械产品生产，行业进入买方市场，各老牌企业为了市场份额， 加快推出新产品，配套件实行国际化采购。零部件的加工制造精良化，通过进行 技术改造，添置高精尖设备，满足市场需求的多品种、小批量化的生产。在新产 品开发过程中，必然会有新材料、新结构，这样就要求具有新的加工工艺和技术 4 江苏大学硕士学位论文 方法来适应产品的研发。目前，激光应用技术正在不断扩大，激光被誉为“万能 加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”，在先进工业国家，激光加工技术 不仅在国防工业，在民用工业也得到了广泛的应用。激光加工技术正是传统的机 械制造企业在转型的技术改造中应考虑的新技术、新工艺。 本课题项目正是基于厚钢板激光焊接技术的发展和晨通公司技术改造的需 求，联合申请并得到市科技合作项目的支持，开展了相关厚钢板激光焊接技术的 工艺研究工作，获取相关的激光焊接工艺参数及其新工艺技术的工艺装备前期的 准备。 江苏大学硕士学位论文 第二章厚钢板的激光焊接原理及特点 2 1 激光的特点 概括地说，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 1 ) 亮度高 激光是世界上最亮的光。c o , 激光的亮度比太阳亮8 个数量级，而高功率钕玻 璃激光则比太阳亮1 6 个数量级。 具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度 的高温，这就使其几乎可以加工所有的材料。 2 ) 方向性好 激光的高方向性主要指其光束的发散角小。激光的高方向性使其能在有效地 传输较长距离的同时，还能保证聚焦点得到极高的功率密度，这两点都是激光加 工的重要条件。基模、高斯模的光束直径和发散角最小，其方向性也最好，这在 激光切割和焊接中至关重要。 激光的方向性很好，它能传播很远距离而扩散面积很小，接近于理想的平行 光。 3 ) 单色性好 激光为单色光，它的发光光谱宽度，比氪灯的光谱宽度窄几个数量级。由于 激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密 度。 4 ) 相干性好 相干性主要描述光波各部分的相位关系。其中空间相干性( s 相干) 描述垂 直光束传播方向的平面各点之间的相位关系；时间相干性描述沿光束传播方向上 各点的相位关系。相关性完全是由光波场本身的空间分布( 发散角) 特性与频谱 分布( 单色性) 特性所决定的。正是由于激光的上述三个特殊优点，把它应用于 焊接之中，聚焦后在焦点上的功率密度可高达1 0 6 1 0 1 2 w c m 2 ，比寻常的焊接热源 江苏大学硕士学位论文 高几个数量级，成为一种十分理想的焊接热源。 2 2 激光焊接应用的c 0 2 激光器川 高功率c 0 2 激光器具有转换效率高、光束质量好、功率密度大、运行成成本 低、既能连续输出又能脉冲输出等众多优点，在激光焊接方面有广泛的应用。本 节主要介绍c 0 2 激光器的工作原理和特点。 2 2 1 c 0 2 激光器的工作原理及其特点 2 2 1 1c 0 ：激光器的工作原理 c 0 2 激光器是气体激光器中最常用的一种激光器，其激发原理见图2 1 。激光 工作物质c 0 2 是一种线性排列的3 原子分布，碳原子居中，氧原子分部两端，在 正常的情况下，c 0 2 分子处于不停的运动状态( 反对称振荡、对称振荡、变形娠 荡) ，这三种振荡是相互独立的。图2 2 为c 0 2 激光有关振荡能级图，激光跃i 壬鞋 要在( 0 0 。1 ) - ( 1 0 。o ) 之间和( 0 0 。1 ) ( 0 2 0 2 ) 之间，前者输出1 0 6 1 t m 激光； 后者输出9 6 9 m 激光。在激光加工应用中主要是1 0 6 a m 波长的激光。 氧碳氧 o 一卜川 ( a ) o 争o 书 一( b )一 旷号飞 口o 参喝。 一( d )一 童 髫 图2 1c 0 2 激光器工作原理图2 2c 0 2 激光器有关振荡能级图 在常温，c 0 2 分子大多处于基态，在电激励c 0 2 激光器中，主要是通过电子 碰撞直接激发核共振转移激发。在直接激发中，慢速电子碰撞激发n 2 分子和c 0 2 江苏大学硕士学位论文 分子，另一个激发主要是由1 , 1 2 ( v = 1 ) 和c 0 2 ( 0 0 0 i ) 的共振转移激发，这是 c 0 ：激光器效率高于其他类似激光器的重要原因。 在c 0 2 + n 2 的激光器中，通常加入足量的h e 气( 常称有h e 运行) ，其作用 主要是抽空c 0 2 分子中下能级( 0 1 。0 ) 和( 1 0 。0 ) 的粒子，使激光器的效率提高。 但是，在国内由于h e 气价格较贵，通常在高功率c 0 2 激光器中采用以m 气代替 h e 气( 称无h e 运行) ，这点受到国内工业界的普遍欢迎。 2 2 1 2 c 0 2 激光器的工作特点 1 ) 高功率 c o ：激光的量子效率为3 8 ，其电转换效率一般为1 0 2 5 。在相同的电注入 功率下，电光转换效率越高，激光器的输出功率就越高，c 0 , 激光高的电光转换效 率对于发展高功率c 0 ：激光器提供了基本的保障。 c o 。激光器放电功率大部分通过电子与气体粒子的弹性碰撞使气体加热，温度 升高，对于高功率激光起来说，气体温度升高更快。气体温度大于1 5 0 c ，电光转 换效率明显下降，因而要求器件具备能快速、有效的带走放电区气体的热量的能 力，现采用两种方式：气体快速对流冷却和扩散传导冷却。c 0 ：激光器的工作物质 是气体，容易实现工作物质的大体积均匀分布，而且工作物质的流动性好，工作 气体能得到快速冷却，因此，能够获得很大功率输出。 2 ) 高效率 激光器实质上是两种能量形式的转换装置，它将电能( 或光能、化学能) 转 变为一种更有用的激光能量，其转换效率是表征激光器性能的重要指标。通常所 说的激光器效率一般指放电系统的电光转换效率t l 自 ： 叩电光= 叩量。即激 ( 2 1 ) 其中，t 1t 表示量子效率，”m 表示激励效率。 量子效率取决于工作物质本身的固有特性。c 0 2 的量子效率是非常高的，理 论算出的c 0 2 的量子效率_ ni 为3 8 ，这正是c o ：激光器高效率的前提。激励效 率是指c 0 2 分子总的激活能量在气体放电总能量中所占的比例，它表征了激励系 统的有效性，提高激光器的效率主要归结到提高激励效率。 江苏大学硕士学位论文 不同的激光器结构，不同的谐振腔结构对c 0 2 激光器的激励效率有很大的影 响。轴流激光器中，放电室是圆柱形，放电等离子体的圆柱形对称分布与振荡模 的高斯分布匹配较好，因而激光器的激发效率较高。横流激光器放电区截面是矩 形，与振荡模的场分布匹配效果不好，故横流激光器的激发效率没有轴流激光器 高，横流激光器采用非稳腔结构，效果较好。此外激光器的放电结构对c 0 2 激光 器的激励效果也有很大的影响。 3 ) 高光束质量 激光焊接、切割等应用要求优良的光束质量，特别是聚焦后的光点越细越好。 在高功率激光器中，c 0 2 激光器的光束质量最好，这是因为c 0 2 激光器的工作物 质是气体，气体流动性好，工作物质均匀，能实现基模输出。 此外，c 0 2 激光器即能连续输出，也能脉冲输出，性能稳定，结构简单，运 行成本低。 2 2 2 光束质量对激光加工的影响 摹 光束质量作为一个极为重要的参数，对激光进行材料加工十分重要。目靛 很多的研究方向已从原来片面追求激光的高功率转向进行提高激光束的光束麓 量，其原因是因为高的光束质量更能满足许多实际应用的要求。本节对光束质量 的指标、光束质量对激光加工的影响以及光束质量的改善等方面进行了分析。 2 2 2 1 光束质量的指标 评价光束质量也有一个发展过程。一般在产品目录中，主要采用模式及发散 角表示，近来人们认为必须加上其它参数。例如，二参数法( 发散角+ 光束直径) 和光束传输系统，都是评价光束质量的指标。 1 ) 光束模式 不同的光场分布既是不同的激光模式或激光波形，也是谐振腔的本征频 率，并记为t e m 。n n 。t e m 表示横向电磁场，m 、n 为x 方向和y 方向的横模数， p 是z 方向的纵模数。光束模式一般用t e m 。来表示。当m - - n = 0 时， r e m 0 0 模 光场成高斯分布，称之为基模，它近似于在阑孔上的平面波的衍射，其发散角( 全 9 江苏大学硕士学位论文 角) 为 岛“堕g(口(以)a ，- 式中，九。为波长，窿为是光阑孔， 束腰上，则发散角为 ( 2 2 ) d o 为高斯光束的束腰直径。假如光阑也位于 o o 。丝( 口：嘭) ( 2 3 ) 7 t 0 1 7 对于一个m 阶模的光束，其直径为 域z d 0 4 m + 1 ( 2 4 ) 相应的m 或n 阶模的发散角为 巳“a o g m + 1( 2 5 ) 或0 0 4 , , + 1( 2 6 ) 由式( 2 4 ) 及式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可看出，随着模阶次的增加，其光束半径及发散角 也增大。 2 ) 光束参数乘积 用光束直径d 和发散角o ( 全角) 的乘积可表示光束直径。光束直径有两 种定义是比较常用的，即 d 。为从激光束强度的最大值下降到1 e 2 值时的光束直径； d 9 0 为总功率9 0 时的激光光束直径。 光束发散角要在远场中，即在透镜的焦点上测量，测出焦点的相应直径d 。和 d 9 0 ( 如同上面的定义) ，然后发散角表示为 0 e , 9 0 等 口， 式中，是透镜的焦距。参数目d 表示为光束质量，高光束质量意味着的乘积 很小。在稳腔的基模运行中，也就是说在近场和远场光场的高斯型分布中，得到 的可能最小的值： 包d e 4 形 ( 2 8 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 或 d 9 。1 3 2 4 z( 2 9 ) 目d 是整个光路的个常数，完全可以用望远镜系统来减少发散角。发散 角减少时，光束半径增加。由于这个原因，仅仅用发散角来表示激光器的特征是 不充分的。因此，用光束参数乘积来表征光束质量，在实际中是有用的。 3 ) 砰参数 根据定义 。，：实际光束的光腰半径原长发散角 基模高斯光束的光腰半径原长发散角 经过简单的分析可发现 严参数有下面的特性。 ( 1 ) 采用 严评价光束，实际上就是评价实际光束与基模高斯光束的偏差。 而基模高斯光束对于穿透加工方式来说是最适宜的( 即具有最大的可 聚焦能力和最大的焦深) 。 ( 2 ) m 2 是一个不变量，不会因为经过一些光学变换后改变( 当然，这里是 指无像差和小孔光学系统) 。 8 ( 3 ) 发散角和光斑大小的定义比较完整，而且很容易制定测量标准。 从以上三点可以看出，采用 铲值评价穿透加工方式中光束质量是适宜的。 严值一般大于1 ，等于1 时为基模高斯光束。 严值愈大则光束质量愈差。肝参 数值的大小基本上决定了一个光束是否适宜于穿透加工方式。 2 2 2 2 光束质量对加工效果的影响 影响激光热加工的因素很多，其中主要的是焦点功率密度、焦斑形状、光强 分布和焦斑漂移等。这些光学参数不仅与激光输出功率有关，而且更依赖于光束 模式的分布与稳定性。当激光输出功率不变时，光束模式的畸变或跳动对激光加 工的影响主要表现在焦点功率密度变化、光强分布畸变和光点漂移等三方面。激 光束经过单透镜聚焦后，焦斑直径d 主要由聚焦透镜焦距，、光束到达透镜表面 的直径d 以及激光波长九等因素决定。在激光长期连续运转中，激光工作介质c 0 2 离解和负电性气体n o x 增加，使激活介质成分变化而引起光束模式逐渐变化，其 主要趋势为近场光斑直径收缩，因而聚焦后使焦斑直径变大，焦点功率密度下降。 江苏大学硕士学位论文 如果激光器近场光束模式的光斑截面形状发生变化，经薄透镜变换后，焦斑形状 也将发生相应的变化，而使焦斑光强部分畸变。其结果是将导致激光热加工工艺 参数，如扫描速度、切缝宽度和焊接深度等发生变化。模式的渐变和跳动都可以 导致光点漂移，光点的漂移对精细加工，如激光精密切割和焊接的质量等带来严 重的影响。 2 2 2 3 光束质量的改善 影响激光输出光束质量的主要因素有增益的大小及分布特征( 由放电方式决 定) 、谐振腔型的选择与增益的匹配及光学元件质量等。 2 3 激光深熔焊 激光深熔焊接的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“小孔效应”结构来完成的。激光深熔焊一般采用连续激光束的连接过程，在 足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发并形成小孔，这个充满蒸气的小孔 犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光束能量，孔腔内的平衡温度达2 5 0 0 0 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材料连续蒸发产生的高温蒸气，小孔四壁包围着熔融金 属，液态金属四周即围着固体材料( 而在大多数常规焊接和激光传导焊中，能量 首先沉积于工件表面，然后靠传导输送到内部) 。孔壁外流体流动和壁层表面张 力与孔腔内连续产生的蒸气压力相斥并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小 孔外材料在连续流动，随着光束移动，4 , ：l 始终处于流动的稳定态。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，熔融金属充满着小孔 移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生的如 此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。1 。 激光深熔焊“小孑l 效应”的示意图如图2 3 所示。 2 4 激光焊接的质量衡量9 】 在激光焊接中，焊缝的熔透状态是衡量焊接成形质量最重要的和最根本的指 1 2 江苏大学硕士学位论文 标之一，特别是对绝大多数的接头型式来说，获得均匀适度熔透是保证焊接质量 的前提。作为以“小孔效应”为基本特征的激光深熔焊方法，根据小孔及熔池穿 透工件程度的不同，可以将激光焊的熔透状态分为未熔透、仅熔池透、适度熔透 和过熔透四种熔透状态。图2 4 所示为四种熔透状态小孔和熔池形状以及焊缝成 型的示意图。图2 5 所示为典型焊缝照片，其中适度熔透是最为理想的熔透状态。 图2 3 深熔焊小孔效应 图2 4 四种熔透状态小孔和熔池形状 江苏大学硕士学位论文 ( c ) 适度熔透( d ) 过熔透 图2 5 四种熔透状态的焊缝横断面照片 2 5 激光焊接的特点 1 0 - , 1 4 】 激光焊接具有其独到的特点，在激光焊接过程中，当激光束辐射到金属材料 时，其能量通过热传导方式传输到工件表面以下更深处。在激光热源的作用下， 材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长的空洞，随着激光焊接的进行， 小孔在两工件间的接缝区移动，进而形成焊缝。激光焊接的显著特征是熔深大、 焊道窄、热影响区小以及功率密度高。 激光焊接代表着一种在微小区域内加热与冷却之间的精细平衡。激光焊接的 目的就是通过辐射吸收产生液态熔池，并使之长到理想尺寸，然后沿固体界面移 动，消除被焊构件的初始缝隙，形成高质量焊缝。熔池过大、过小或者蒸发严重， 都将导致焊接失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其他因素的改变而恶化，如 合金成分的蒸发，过大的热梯度以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定等。 激光焊接以高能量密度的激光作为光源，近些年，高功率激光焊接发展十分 迅速，其主要原因是与电子束、等离子束和传统焊接方法相比，具有独特的优势。 具体如下所述： ( 1 ) 能量密度高高功率激光束经聚焦后，焦斑直径很小，因而具有很高的 功率密度，可达1 0 5 1 0 8 w e m ：，比电弧焊( 5 x 1 0 2 1 0 4 w c m 2 ) 要高出几个数量 1 4 u 卅八于以j _ 千。雌- b 义 级，可以深熔方式进行焊接，能焊接高硬度、高脆性、高熔点及高强度的材料。 ( 2 ) 焊接质量好激光焊接时，通过“小孔效应”，能获得较大的焊接深度 ( 深宽比可达2 1 2 ) ，且焊缝组织致密、强度高。 ( 3 ) 热影响区和变形区都很小由于激光的加热范围小( 2 1 8 i 一次冲气连续工作时间p = 2 4 小时 恸率不稳定性 = 正负3 焊接机床 悼接速度b 卜5 o m m i n 峥接深度1 3 6 m m 焊接深度比 1 5 ：1 i 机床工作进程b 0 0 ( x 轴) 1 0 0 ( z 轴) 连续旋转( a 轴) 2 7 本章小结 本章主要介绍了激光的特性，厚钢板激光焊接用的c o 。激光的工作原理及特 点，光束质量在高功率激光器的重要影响作用，光束质量有关的改善指标。阐述 了激光焊接质量的衡量和激光焊接具有的特点，简介了本课题实验所用的试验装 置，最后阐述了厚钢板激光焊接的相关原理。 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章激光焊接厚钢板的试验及分析 激光焊接技术以其具有高能量密度，焊接速度快，焊缝深宽比大，热影响区 窄、变形小，无污染和易于实现自动化控制等优势，已在铝合金材料、汽车同步 齿轮、车身拼焊板和钢铁企业的钢板焊接中有应用。而传统的焊接工艺中，存在 工艺稳定性差，焊缝质量不高，需要焊材填充，焊缝较宽以及焊缝强度低等缺点。 对于激光焊接而言，超过l m m 的钢板就已是厚钢板了。虽然目前我国传统制造 业应用并不广泛，但激光焊接技术正日益受到加工制造业的关注。 3 1 研究方法及试验条件 为了系统的研究厚钢板的激光焊接的主要工艺参数，本章研究了不同的厚度 的钢板，不同功率、不同焊接速度、不同离焦量和等离子体抑制等方式进行不同 的试验，采信了以前同一公司生产的激光设备的相关的参数，来制定试验中的初 步试验参数，并在试验中不断进行调整与修正。 3 1 1 试样材料 焊接试件的材料为低碳钢，其主要化学成分和机械性能如下表3 1 ，采用 61 5 65 m m 厚度的四种规格，试件尺寸5 0 m m 7 0 n u n ，由于厚钢板激光焊接 为母材深熔焊，在焊接过程中两试件的间隙不能太大，否则会直接影响焊缝质量， 为减少接缝的间隙，试件四周经过铣削加工。 表3 1 化学性能及机械性能 化学成分 cm ns i s p 含量 0 1 4 o 2 20 _ 3 0 加6 5 5 0 3 0：0 5 0：抑0 4 5 os n m m 2 ob n m m 2 65 机械性能 2 3 5 3 7 5 5 0 02 6 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 激光焊接试验装置 激光焊接试验采用武汉金石凯激光技术有限公司生产的g s t f l 5 k a 高功率 三折腔横流c 0 2 激光器，激光功率0 5 k w 连续可调，焊接模式为t e m o o + t e m o l 。 焊接装置示意图如图3 1 所示，为了防止透镜的热畸变和金属球面镜带来像差的 较大误差，试验中采用离轴抛物面镜对激光束进行聚焦，焦距为1 2 7 m m ，通过调 节两平面反射镜间的距离，从而可以实现焦点位置的连续可调，其中，聚焦镜与 平面反射镜2 是由支架连为一体，两平面反射镜间的距离由支架间的螺杆来进行 调整，调整完好后，对支架进行紧定，防止焊接过程中位置移动。 蠡i 悸告 图3 1 激光焊接结构示意图 采用对接焊接形式，将两试件固定在专用夹具上，示意简图如图3 2 ，可以 很方便的对中焊缝，使激光束可以准确重合缝隙，减少试验操作强度，并安装在 数控工作台上，工作台行程3 0 0m n l ，速度0 1 5 m m i n 可调。 1 夹具体2 试件3 固定螺栓 图3 2 激光焊接简易夹具图 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 1 3 性能测试试验设备 1 ) 拉伸强度试验是在我校工程物理实验中心w e - 1 0 0 液压式万能试验机上进 行的，设备最大试验力1 0 0 k n 。 2 ) 金相试验试块是在我校工业中心特种加工实验室数控快走丝线切割机床 a c t s p a r kf w l 上进行的。 3 ) 金相照片是在我校材料工程学院用j x a 静伽电子探针分析仪进行照相和 观测。 4 ) 硬度测试是在我校材料工程学院h v s - 1 0 0 0 型数显显微硬度计测量仪进行 硬度测定的，保压时间1 5 s ，负荷1 0 0 9 。 3 1 4 焊接接头型式 大多数激光焊接不用焊丝，这意味着所有焊肉均来自被焊材料，因此，焊接 接头装配设计非常重要。无论是对接还是搭接，工件间隙应不大于接头材料厚度 的5 ，以获得足够的焊速，不产生材料流失、咬边和焊接弧坑。如果间隙大于 5 ，必须降低焊接速度，以熔化接头边缘的更多材料。但是，如果间隙超过激光 束宽，将会导致焊接失败。 接头在焊接装配前，被焊工件应整个地清洗干净，工件表面留下薄油层一般 是允许的，但若接头严重脏污、灰尘、油脂则会引起息弧气孔、裂纹和氢脆”1 。 激光焊接采用焊接接头可以有多种，其中最常见的是对接接头。本次试验采 用对接接头型式，虽激光焊接过程中变形小，但仍需稳固的夹持住工件，其接头 示意图如下图3 3 。 图3 3 对接接头示意图 2 0 江苏大学硕士学位论文 3 2 激光焊接试验结果 3 2 1 激光焊接的焊缝外观 试验所获得的试样，对照前一章节2 4 的激光焊接质量衡量标准，本次试验 所采用的焊接参数外观上均达到了适度熔透的效果，经过后面章节的显微照片也 证明所达到的效果。下面的数码相片图3 4 是其中一试样的正面、反面及断面图。 a 正面 b ( 1 ) 反面 2 l 江苏大学硕士学位论文 b ( 2 ) 反面 c 板厚断面 图3 4数码相片 江苏大学硕士学位论文 3 2 2 激光焊接试样的参数与形状 以下表3 3 - - - 6 是本试验所进行的试样参数及表面宏观形状列表。 表3 3t 1 5 激光焊接的试验参数及焊接表面质量 参裁 焊接速度 激光功率w离焦量l t l l n 菇缪号 m m i n 118 0 02 2一o 5 22 6 0 030 5 32 8 0 030 5 41 8 0 020 5 51 8 0 020 5 61 8 0 020 5 71 8 0 020 5 81 8 0 020 5 91 8 0 0 2 0 5 1 01 8 0 0 2 一o 5 试件编号由焊好后放置顺序进行编制 试件l ( 1 3 3 ) ：起始焊点有一未透凹孔与中部过一点有两个未透凹孔，焊缝成 形不规则，前面2 3 大波浪4 m m 连续突出板平面，余下较平， 外形看均焊透。( 1 3 3 为试样长度) 试件2 ( 1 3 5 ) ：起始焊点过一点有一未透凹孔，焊缝成形规则，波浪3 m m 连续 下凹，外形看均焊透。 试件3 ( 1 3 8 ) ：起始焊点3 0 r a m 有一未透凹孔，焊缝成形不规则、宽大，波浪 4 5 m m 粗大，连续下凹，外形看均焊透。 试件4 ( 1 3 8 ) ：起始焊点2 8 、3 4 r a m 有两凹处，前面2 8 焊缝成形较规则，波形 连续稍突出板平面，外形看均焊透。 试件5 ( 1 3 8 ) ：起始焊点3 8 r a m 有1 凹处，波形不明显一致。外形看均焊透 试件6 ( 1 3 8 ) ：波形明显一致，外形看均焊透。 试件7 ( 1 3 8 ) ：波形叠加明显一致、稍突出板平面，外形看均焊透。 试件8 ( 1 3 8 ) ：起始焊点3 6 r a m 有1 凹处，波形叠加明显一致、少部分稍突出 2 3 江苏大学硕士学位论文 板平面，外形看均焊透。 试件9 ( 1 3 8 ) ：波形叠加明显一致，外形看均焊透。 试件1 0 ( 1 3 8 ) ：起始焊点3 9 r a m 有1 凹处，波形叠加明显一致，但焊缝未对齐 外形看均焊透。 表3 4t 3 0 激光焊接的试验参数及焊接表面质量 参蔹 激光功率w焊接速度m m i n离焦量 n l n 越缪号 12 8 0 01 8一o 5 22 8 0 01 8 0 5 32 8 0 01 8一o 5 42 7 0 02 20 5 52 8 0 0 1 80 5 62 8 0 01 80 5 72 8 0 01 80 5 82 8 0 0 1 8一o 5 9 2 8 0 01 8一o 5 试件编号卜9 由焊好后放置顺序进行编制 试件1 ( 1 3 8 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看均焊透。 试件2 ( 1 3 8 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整、突出板平面，外形看均焊透。 试件3 ( 1 3 8 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看均焊透。 试件4 ( 1 3 8 ) ：焊缝成形规则，波形连续平整，但焊缝未对齐，变形较大，外 形看均焊透。 试件5 ( 1 3 8 ) ： 试件6 ( 1 3 8 ) ： 试件7 ( 1 3 8 ) ： 试件8 ( 1 3 8 ) ： 试件9 ( 1 3 8 ) ： 焊缝成形很规则，波形连续平整，试件整体有点变形，外形看 均焊透。 焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看均焊透。 焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看均焊透。 焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看均焊透。 焊缝成形很规则，波形连续平整、焊缝突出板平面，外形看均 焊透。 江苏大学硕士学位论文 表3 5t 4 0 激光焊接的试验参数及焊接表面质量 参数 激光功率w焊接速度m m i n离焦量m m 蔚缪号 13 1 0 51 6o 5 2 3 1 0 3 1 8 o 5 33 0 0 01 60 5 4 3 1 0 0 1 5 o 5 53 0 0 01 60 5 63 1 0 01 50 5 73 1 5 01 50 5 试件编号3 7 由焊好后放置顺序进行编制， 试件l ( 1 2 8 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整；外形看焊透，铣加工后明 显焊透。 试件2 ( 1 3 2 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 试件3 ( 1 3 2 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看起始部分未焊透。 试件4 ( 1 2 9 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，起始部分有点接缝错位， 摹 外形看焊透。 5 试件5 ( 1 3 2 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看起始部分未焊透。 试件6 ( 1 2 9 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 试件7 ( 1 2 9 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 表3 6t 5 0 激光焊接的试验参数及焊接表面质量 爹彰 激光功率w焊接速度m m i n离焦量m i n 苈鲈号 、 13 1 0 01 20 5 23 1 4 01 20 5 33 1 4 01 30 5 4 3 1 0 0 1 o0 5 53 1 1 01 40 5 试件1 ( 1 3 6 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 试件2 ( 1 3 4 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整、突出板平面，外形看焊透。 江苏大学硕士学位论文 试件3 ( 1 3 6 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 试件4 ( 1 3 5 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 试件5 ( 1 3 7 ) ：焊缝成形很规则，波形连续平整，外形看焊透。 3 2 3 激光焊接参数的优化 试验主要研究影响激光深熔焊质量的主要参数，如激光模式、激光功率密度、 焊接速度、焦点位置、等离子体抑制等。各焊接工艺参数经试验优化后来选定， 本试验中的最优参数如表3 7 ，焊接效果较好。 表3 7 最优焊接参数表 钢板规格模式功率焊接速度离焦量侧吹气量 t 5 t e m o o + t e m o l3 2 k w 1 3 m m i n- 0 5 m mo 0 3 m p a “t e m o o + t e m o l 3 k w1 5 m m i n一0 5 m m0 0 3 m p a t 3 t e m 0 0 + t e m o l 2 7 k w1 8 m m i n0 5 m mo 0 3 m p a t 1 5 t e m 0 0 + t e m 0 1 1 8 k w2 0 m m i n0 5 m m0 0 3 m 旷a 3 3 试验分析 3 3 1 拉伸试验 拉伸试验试样是按照g b 2 6 5 1 焊接接头拉伸试验试验方法规定制作的，其试 样尺寸如图3 5 所示。 图3 5 试样尺寸图 试样经过加工后，中间腰形区和焊缝两边砂纸磨光，看不到有微裂纹，中间 画一中心对中线，以便于试验中快速安装，加工好的部分试样外形如图3 6 所示。 江苏大学硕士学位论文 图3 6 试样拉伸外形照片 拉伸试验采用w e 1 0 0 液压式万能试验机，设备的最大试验力为1 0 0 k n 。 通过拉伸试验来了解焊缝接头的强度是否低于母材，在试验中对多个焊接试 样及其对照试样进行拉伸。试验的结果表明，所有激光焊接试样均在远离焊缝韵 母材区域断裂，而对照试样则在试样中间区域断裂，如图3 7 所示，其中a 为拉 伸后