（机械电子工程专业论文）殷钢薄板材料激光焊接试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 殷钢i n v a r 3 6 是一种典型的低膨胀合金，室温下是单相奥氏体组织，可以用来制造 精密仪器、仪表中要求尺寸不变的零件，各种科学仪器的结构元件，显像管的萌罩设计， 液态气体容器，以及航空工业用复合材料精密模具等。特别是近年来随着微电子工业的 发展，光刻机中殷钢材料的应用越来越广泛，关于殷钢的焊接技术和性能研究变得十分 必要。 使用激光焊接薄板殷钢i n v a r 3 6 是一种新型的殷钢焊接方法，目前还未形成成熟的 工艺，因此开展关于激光焊接薄板殷钢i n v a r 3 6 的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文以n d ：y a g 毫秒脉冲激光器做为焊接热源，对薄板殷钢i n v a r 3 6 激光热传导焊接进 行了理论分析和实验研究。 根据n d ：y a g 脉冲激光特点，采用一维热传导模型详细论述了脉冲激光热传导焊接 的加热和熔融问题。计算了使殷钢i n v a r 3 6 熔化的功率密度阈值并对熔化波前的最大穿 透深度进行了讨论，并对激光焊接工艺参数的选择进行了初步分析。 采用单因素法对两种不同厚度( o 5 m m 和o 8 m m ) 薄板殷钢i n v a r 3 6 进行了单道平 板扫描试验，研究了工艺参数( 包括激光功率、脉冲宽度、扫描速度和离焦量) 变化对 薄板殷钢i n v a r 3 6 激光焊接结果的影响，并结合激光热传导焊接原理对试验结果进行了 分析；通过对单道平板扫描焊缝熔深、熔宽、表面形貌和质量的检测和分析得到焊接两 种不同厚度薄板殷钢i n v a r 3 6 的合理工艺参数组合，利用所选参数进行激光对焊。 采用金相显微镜、x 射线衍射仪、万能拉伸试验机、显徼硬度计和能谱仪等分析测 试手段检测了薄板殷钢i n v a r 3 6 激光对焊接头的显微组织、相组成、显微硬度、力学性 能和化学成分等，并对检测结果进行了分析和讨论。 本文针对激光热传导焊接机理、焊接参数选择以及焊接质量检测方面进行了综合研 究。本文的工作为薄板殷钢i n v a r 3 6 激光焊接的广泛应用提供了理论和技术支持，丰富 了殷钢i n v a r 3 6 焊接方法。 关键词：激光焊接；殷钢；单道平板扫描；对焊 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nl a s e r w e l d i n go f t h i ni n v a r 3 6a l l o yp l a t e a b s t r a c t i n v a r 3 6f l l o yi nt h ef e e - 丫p h a s ei sat y p i c a la l l o yw i t hl o wt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t u n d e rt h el o o mt e m p e r a t m e ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt om a k eh i g hp r e c i s i o nd e v i c e s , t h ep a r t s r e q u i r e di n v a r i a b l ed i m e n s i o n si na p p e a r a n c e sa n ds c i e n t i f i ci n s t r u m e n t s ，t h es h a d o w - m a s ko f l e d 。l i q u e f i e dg a st a n k e r sa n dc o m p o s i t et o o l i n g si nt h ea e r o s p a c e 。i np a r t i c u l a r , w i 也t h e d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i e s ，i n v a r 3 6a l l o yi sw i d e l yu s e di nl i t h o g r a p h ym a c h i n e si n r e c e n ty e a r s t h e r e f o r e , i ti s v e r ye s s e n t i a l t oi n v e s t i g a t et h ew e l d i n gt e c h n o l o g y a n d p r o p e r t i e so f t h i sa l l o y l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yo fi n v a r 3 6a l l o yi sa l li n n o v a t i v ea n di m m a t u r ei s s u e ，s ot h e r e s e a r c ho nt h i sa s p e c th a ss i g n i f i c a n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u e s i nt h i sp a p e r , a n i n v e s t i g a f i o na b o u tl a s e rw e l d i n go ft h i ni n v a r 3 6a l l o yp l a t ee x p e r i m e n t sw a sc a r r i e do u t b a s e do nl a s e rt h e r m a lc o n d u c t i o nw e l d i n gt h e o r yw i t hm i l l i s e c o n dp 山n d ：y a gl a s e r w i 也r e f e r e n c et on d ：y a gp u l s el a s e r c h a r a c t e r i s t i c s , o n e - d i m e n s i o n a lt h e r m a l c o n d u c t i o nm o d e lw a su s e dt od i s c u s st h eh e a t i n ga n dm e l t i n gp r o b l e m si nt h ep r o c e s so f l a s e rt h e r m a lc o n d u c t i o nw e l d i n g t h et h r e s h o l do fl a s e rp o w e rd e n s i t y ，w h i c hm a d et h e i n v a r 3 6a l l o ym e l t e d , w a sc a l c u l a t e da n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r st ot h eb i g g e s tp e n e t r a t i o n d e p t hw e r ed i s c u s s e d t h ep r e l i m i n a r yp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hp r e p a r e df o rt h e f o l l o w i n gl a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n t s ，w c i ed e t e r m i n e da f t e rh o wt h ew e l dq u a l i t i e sw a s i n f l u e n c e db yt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d l a s e rb e a d - o n - p l a t ew e l d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nt w ok i n d so ft h i np l a t e s ( o 5 m ma n d0 s m m ) w i t ho n e - w a ye x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r s , i n c l u d i n gl a s e rp o w e r , p u l s ee n e r g y ，p u l s ed u r a t i o n , w e l d i n gs p e e da n dd e f o c u s i n gd i s t a n c e ， o nt h eq u a l i t ya n ds n r f a e em o r p h o l o g yo ft h ew e l db e a dw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e dc o m b i n e dw i t ht h el a s e rt h e r m a lc o n d u c t i o nw e l d i n g t h e o r y a tl a s t ，t h ep r o p e rp r o c e s sp a r a m e t e r sb e i n ga p p l i e dt ob u t tw e l df o rt w ok i n d so f t h i n p l a t e s ( o 5 m ma n do s n u n ) w e r eg a i n e da f t e rt e s t i n ga n da n a l y s i so ft h ew e l db e a dw i d t h ， p e n e t r a t i o nd e p t ha n d $ u r f a e 七m o r p h o l o g yi nb e a d - o n - p l a t ew e l d i n ge x p e r i m e n t s 髓em i c r o s t r u c t u r e ，g r a i ns i z ea n dp h a s e ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h eb u t tw e l d j o i n t sa n dm a t r i xw e r et e s t e db ym e t a l o s c o p e ，x - r a yd i f f r a e t o m c t e r , e n e r g ys p e c l r u m ，m i c r o h a r d n e s sa n dt e n s i l et e s t i n gm a c h i n e s t h er e s u l t so b t a i n e dd u r i n gt h e i n s p e c t i o no f t h eb u t tw e l dj o i n t sw a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d r i i i 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 t h em e c h a n i s mo fl a s e rt h e r m a lc o n d u c t i o nw e l d i n g t h ec h o i c eo fw e l d i n gp a r a m e t e r s a n dt h eq u a l i t i e so fw e l db e a df o rt h et h i ni n v a r 3 6a l l o yp l a t ew e r ec o m p r e h e n s i v e l y r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a l lt h ew o r kd o n ei nt h e s ea s p e c t sw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a la n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r t st ot h ea p p l i c a t i o n so fl a s e rw e l d i n gi n v a r 3 6a l l o y ，a n da l s ow i l le n r i c h t h ew e l d i n gt e c h n o l o g yo f l n v a r 3 6a l l o y k e yw o r d ：l a s e rw e l d i n g ；i n v a r 3 6a l l o y ；b e a d - o n - p l a t ew e l d ；b u t tw e l d - i v - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 塑丛塑日期：电丑：! ! ：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 塑童丝! 塑 新虢鬟砻巨 主竺1 年旦月立l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 激光是上世纪继原子能和计算机之后发展起来的又一项重大高新技术，其优异特性 体现在单色性、空间和时间相干性、方向性和能量密度高度集中等方面l l 】。激光加工是 激光技术一项十分重要的应用。激光加工是将能量聚焦到微小空间，利用这一高密度能 量进行非接触、高速度、高精度加工的方法，这是一种摆脱传统的机械加工、热处理加 工之类的全新加工方法。自从2 0 世纪6 0 年代美国采用红宝石激光器在钻石上打孔以来， 激光加工技术经过几十年的发展，已成为工业生产中的一项常用技术1 2 j 。激光加工甚至 有取代传统加工方法的趋势，这对传统加工方法来说是一种挑战。激光加工按其加工方 法可分为切割、焊接、熟处理及表面处理、雕刻、打孔、刻蚀以及激光成形和激光快速 成形等，图1 1 为目前各秘激光加工技术的应用比例 2 1 。 图1 1 各种激光加工技术的应用比例 f i g 1 1 t h ea p p l i c a t i o n r a t i o o f d i f f e r e n t l a s e r p r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e s 目前增长最快的加工类别是激光焊接。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热 源进行焊接的一种高效精密的焊接方法，是现代高科技发展的产物。激光焊接具有高能 量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点，对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非 常重要的作用，这种焊接方法在航天航空、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中 得到应用，并日益受到工业发达国家的重视嘲。 殷钢1 1 1 v a r 3 6 是典型的f e - n i 系低膨胀合金，应用领域已经逐渐从传统的精密仪器 领域向电子工业和特殊结构材料领域拓展。目前国内外文献提及的殷钢材料焊接方式的 研究主要集中在传统焊接领域。使用激光焊接殷钢材料是一种新型的殷钢焊接方法，目 前还未形成成熟的工艺，因此开展这方面的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文在理论分析的基础上对殷钢薄板材料激光焊接试验进行了综合研究，丰富了殷 钢合金焊接方法。 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 1 1 工程背景 随着科学技术的迅速发展，特别是电子、航空等尖端科学技术的飞速进步，各领域 对产品零部件材料的性能都能提出了更多、更高和更严的要求，推动了新型、特殊结构 和功能材料的发展，低膨胀合金便是其中的一种。 一般金属和合金材料随温度上升，它们的热膨胀都是呈线性增大。低膨胀 合金是指在常温或高温、极低温度范围内，具有很低膨胀系数的合金。按照成分可以分 为：f e - n i 系，如4 j 3 6 ( n i 3 6 ) 合金；f e - n i c o 系，如4 j 3 2 ( n i 3 2 c 0 4 ) 、4 j 3 5 ( n 1 3 5 c 0 6 ) ； f e c o c r 系( 不锈因瓦) ，如4 j 9 ( c 0 5 4 c r g ) ，还有一些贵金属低膨胀合金，如f e p t 系、f e - p d 系、f e - n i - p d 系合金等，因其价格昂贵，在使用上受到限制。按照使用条件 分类，低膨胀合金又可以分为：常温型，如4 j 3 6 、4 j 3 2 ；低温型，如n i 3 9 f e 、n i 3 6 c u 0 5 等。而常温下使用最为普遍的低膨胀合金还是f e - n i 系的4 j 3 6 ，通用牌号为i n v a r 3 6 ， 即本课题研究过程中使用的殷钢i n v a r 3 6 材料。 殷钢i n v a r 3 6 主要成分为3 6 n i f e 合金，常温下为单一奥氏体组织，塑性良好而且 性能稳定。它的居里温度约2 3 0 ，2 3 0 以下( 甚至到一2 5 3 c ) 具有极低的热膨胀系数， 并且具有铁磁性，高于这一温度变成非磁性，膨胀系数亦增大【4 】。 由于殷钢材料具有热膨胀系数低、塑性良好和性能稳定等特性，它的应用领域迅速 扩大，逐渐从传统的精密仪器领域向电子工业和特殊结构材料领域拓展。主要应用体现 在【5 ，6 1 ： ( 1 ) 自从殷钢i n v a r 3 6 及其同族的镍铁合金问世以后，其热膨胀系数极低的特性得 到了广泛迅速地应用。用它们制成的测量仪用薄带、细丝以及座钟的摆成为早期最重要 的产品。 ( 2 ) 上世纪2 0 年代镍铁合金代替铂用作与玻璃封接的引丝，大大降低了成本。其 他的应用领域还有灯泡、无线电电子管、恒温器中作控温用的热双金属片、校对量规用 的测量仪器和机器零件等。白炽灯泡封接头的引线也是用镀铜镍铁台金丝( 又称杜美丝) 做的。 ( 3 ) 二次大战极大地刺激了对殷钢合金的需求。这些合金在真空管和迅速发展的 电子工业其他产品中的应用扶摇直上。到了五六十年代镍铁合金的用途继续扩大，包括： 断路器中热双金属片的被动层、发动机控制器、电视机温度补偿弹簧、宇航器和汽车中 的控制器以及空调机等方面。作为封接合金还被用于半导体器件和微处理器中的引线通 孔、封装和盖罩封接。 ( 4 ) 八九十年代热双金属市场继续扩大。同时因瓦合金相当适合做油轮中液态天 大趣工大学硕士学位论文 然气( l n g ) 贮槽，因为它的低温收缩量极小。传统的用来做这类设备用的材料是奥氏 体不锈钢，但在造成极低温的输送管道上为了吸收管道的热收缩就必须设计成特殊的回 路结构。如果采用极低温至室温热胀系数仅为奥氏体不锈钢1 l o 的殷钢材料就不需要这 样的特殊设计，可大大降低建设费用。 ( 5 ) 最近，高分辩率阴极射线管( 显像管) 中的荫罩使因瓦合金发挥出潜力。在日本 和欧洲认为殷钢合金解决了荫罩的“穹面效应”。美国人将殷钢合金与高膨胀合金配对 做成挠曲弹簧片，用来使荫罩相对彩色萤光粉重新定位。 ( 6 ) 新的应用还包括用在精密激光和光学测量系统和波导管中作结构元件、显微 镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样科学仪器中。 ( 7 ) 宇航工业己用因瓦合金做成铸造复合材料零件用的模子。特别是新一代飞机 的零件，要求当先进的复合材料在中等温度下凝固时模子应保持很狭窄的尺寸公差，而 殷钢材料可满足这一要求。 总之，殷钢合金在人造卫星、激光、环形激光陀螺仪和其他先进高科技产品领域的 广泛应用，有力地表明这些古老的材料正在帮助现代科学向更高水平迈进。近年来，由 于殷钢材料在光学设备结构元件、液态天然气( l ，n g ) 贮槽、大型飞机复合材料模具和 其他先进的高科技产品方面的应用日益广泛，殷钢材料的焊接性能变得十分重要，关于 殷钢材料的焊接性能和方法的研究也越来越受到大家的关注。 1 2 殷钢材料的基本特性 1 2 1 殷钢材料的化学成分 殷钢i n v a r 3 6 的化学成分如表1 1 所示1 7 。镍是殷钢材料的主要合金元素，起到使殷 钢材料完全奥氏体化的作用，进而使材料的强度、塑性、韧性增加，但却使热导率降低。 此外因为含镍量高，殷钢i n v a r 3 6 在大气、海水、淡水中具有较好的耐腐蚀性能。 表1 1 殷钢i n v a r 3 6 的化学成分( ) t a b 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f i n v a r 3 6a l l o y 殷钢i n v a r 3 6 中除部分铁磁性元素钴等及少量铜以外，加入或带入任何元素和夹杂 都会使膨胀系数增大。少量的硅对合金的膨胀系数影响不大，但却使居里点下降。碳元 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 素对殷钢材料的性能影响很大，含碳量较高时，合金尺寸的时间稳定性交差。在保证合 金可加工性的前提下，应尽量降低硅、锰、碳的含量。 1 2 2 殷钢材料的热膨胀特性 在大气温度变化范围内( - 6 0 8 0 c ) ，殷钢i n v a r 3 6 合金具有很低的线热膨胀系数。 根据y b l 3 3 6 9 ，i n v a r 3 6 合金试样在保护气氛或真空中加热到8 5 0 9 0 0 ，保温6 0 m i n ， 以一 3 0 0 c h 的冷却速度冷却至2 0 0 ( 2 以下出炉，其平均线膨胀系数眈p l 1 8 1 0 6 阿。殷钢i n v a r 3 6 在不同温度范围的平均膨胀系数参见表1 21 9 1 。 表1 2 不同温度范围i n v a r 3 6 合金的平均膨胀系数 t a b 1 2t h e m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f l n v a r 3 6a l l o yi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图1 2 所示为殷钢i n v a r 3 6 的热膨胀系数随成分的变化曲线【l o l ，从图上可以看出随 着n i 含量变化，膨胀系数一成分曲线上出现一个明显的“低谷”，两侧的“陡坡”表 明n i 含量的增加或减少都会引起a 值的迅速增大。 4 - 大连理工大学硕士学位论文 、k 、 i、 h _ 、h 、 、 l r 一_ 一m - , - 1il ：俐 一一葛耵 ii、， 图1 ，2 殷钢i n v a r 3 6 的膨胀系数一成分曲线 f i g 1 2 c u r v eb e t w e e nt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dc h e m i c a lc o m p o a i t i o nf o ri n v a r 3 6a l l o y 殷钢i n v a r 3 6 的膨胀系数温度曲线( 见图1 3 ) b 0 表明，虽然常温下n i 含量3 5 4 曲线a 值很小很稳定，当温度上升到一定范围，口值也会明显增大，在居里点附近( 2 3 0 c 左右) ，随着温度的升高，a 值迅速增大。作为对比，纯n i 及其它几组n i 百分含量的 膨胀系数温度曲线一并给出( 见图1 3 ) ，可见常温和低温条件下，殷钢i n v a r 3 6 热膨 胀系数不但很小，而且比较稳定。 役 一 葛 l ilil # 翻纩 l n i f 、一町) 移7 删，一7 靴二ff 眸l j 4 7 1 ii l ll1 n il + 一 i r 。积 - iiil 一一 ， f 一一 ， ， ， f j ， 、一一 哟 图1 3 几种f e - n i 合金的膨胀系数温度曲线 f i g 1 3 c u r v eb e t w e e nt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r ef o rs e v e r a lf e - n ia l l o y 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 1 2 3 殷钢材料的力学特性 殷钢l n v a r 3 6 材料与常见的奥氏体钢类似，伸长率和断面收缩率较高，而硬度较低， 弹性模量则低于常见的各种钢材，室温下只相当于灰铸铁h t 3 0 0 的水平( 见表1 3 ) i l l 。 表1 3i n v a _ r 3 6 合金的力学性能 t a b 1 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f i n v a r 3 6a l l o y 1 3 课题提出及国内外研究现状 1 3 1 课题提出 自从1 8 9 6 年g u i l a u m e 发现殷钢合金以后，人们对其进行了大量的研究，涉及这 一问题的各个层面。主要包括对殷铜合金线膨胀系数、磁性能、焊接性能、强化措施及 合金的制备方法的研究“”。近年来殷钢合金的研究和应用趋于活跃，随着殷钢合金在液 化石油气储气罐、大型飞机复合材料模具、微电子光刻机等方面的广泛应用，合金的焊 接性能交得十分重要。于是人们展开了殿钢合金焊接性能和方法的研究。 殷钢i n v a r 3 6 常温下是单相奥氏体组织，在作为低膨胀结构材料使用时存在焊接性 能差、易产生凝固裂纹的问题。早期的解决殷钢i n v a r 3 6 焊接熔池周围凝固时产生裂纹 的方法主要是在殷钢合金焊丝中加t i ，b i n 等合金化元素，同时增加c 的含量，典型的 化学成分为：3 6 n i ，3 m n , 1 t i ，o 1 c ，其余为f e 【l ”。殷钢合金焊丝中加入t i 和 m n 的主要作用是【1 4 l ：( 1 ) 防止焊接热裂；( 2 ) 作为脱氧剂；( 3 ) 形成稳定的高熔点 硫化物：( 4 ) 防止焊缝在受热过程中热裂纹的产生。这源于t i 和m n 沉淀物对晶界移 动的钉藐作用。最近发现了一种薪的殷钢合金焊丝，用n b 代替t i 和m n ，其典型的化 学成分为3 6 n i ，1 5 n b ，0 2 c ，其余为f e 【l 列。这种焊丝可有效防止高热焊接方式焊 接方式焊接殷钢合金时产生热裂纹【1 6 1 。以上改变焊丝化学成分虽然可以改善殷钢 i n v a r 3 6 焊接凝固裂纹的问题，但不可避免的会对材料的热膨胀系数造成影响。 在焊接方法上，传统的奥氏体钢焊接方式有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护钨电极 弧焊( g t a w ) 。当生产效率要求高时，多采用高热量的焊接方法，如焊条电弧焊和埋弧 焊。焊条电弧焊使用的设备简单，操作方便，灵活可靠，适应性强，这是其获得广泛应用的重 要原因之一。但其焊接接头质量在一定程度上取决于焊工的操作技能而且焊条电弧焊 6 一 大连理工大学颈士学位论文 劳动条件差。埋弧焊虽然机械化程度高，填充金属耗量低，焊接速度高，但在施焊过程中无 法观察电弧与坡口的相对位置，如投有焊缝自动跟踪装置，很容易造成焊偏和焊漏旧。而 且这种高热量焊接方式要求焊丝的s 、p 含量十分低，s 含量应少于0 0 0 2 ，以防止热 裂纹的产生。气体保护钨电极弧焊( o t a w ) 是低热量焊接方法，有利于防止焊接裂纹的 产生，但生产效率不高。特别是焊接厚钢板时，需要进行多层焊接，并需使用填充焊丝，使 得焊接速度慢，效率低，焊接过程中输入工件的热量较高，导致工件变形和热影响区较大。 因此，考虑到传统焊接方法的局限性以及殷钢i n v a r 3 6 焊接过程中对焊丝成分的苛 刻要求，本文采用n d ：y a g 激光器对殷钢i n v a r 3 6 薄板材料进行了焊接试验，对薄板材 料激光焊接原理、参数选择、焊接工艺、焊接质量和性能进行了研究。 1 3 2 激光焊接的优势 激光焊接能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源，该集 中热源快速沿着被焊材料移动，实现材料的连接。激光焊接与电子柬焊接、等离子束焊 接和传统焊接方法相比有其独特的优势 1 s , 1 9 。 激光焊接与电子束焊接相比，它们同属于商能密度焊，有很多相似的特点。但激光 焊接还有优于电子束焊接的地方，即激光焊接可以在大气压下方便的进行，而无需真空 室。通过视窗、透镜及光纤可以实现远程位置与多工作台的激光焊接。而且，激光焊接 还可以在焊条和电子束无法达到的三维构件内部细微区域中实施。国外试验结果表明， 从硬度和延性看，激光焊接和电子束焊接差不多，但从抗交变载荷来看，激光焊接则要 好得多。激光焊接的接头强度一般高于基体材料。 与等离子弧相比较，激光焊具有焊缝和热影响区窄、焊接边接近平行、熔深大以及 变形小的优点。 与常规焊接技术相比： ( 1 ) 激光焊接能量密度高，热输入低，熔化区和热影响区窄而熔深大，工件热变 形小，后续加工量小。 ( 2 ) 焊接区加热和冷却速度快，使得激光焊工件的力学性能与未焊母材几乎相同， 其接头拉伸强度可以等于甚至高于母材。 ( 3 ) 激光焊接工艺随材料不同变化小，它不需要使用不同的电极、焊剂、喷嘴或 极性与被焊材料相匹配。所以工艺相对简单。 ( 4 ) 可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异型材料施焊，效果良好。例如，将 铜和钽两种性质截然不同的金属焊接在一起，合格率几乎达百分之百。 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 ( 5 ) 可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用 于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。如集成电路引线、钟表游丝、显像管电 子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大大提高，而且热影响区小、焊点无污染， 大大提高了焊接的质量。 激光焊接因具有如上所述的能量集中、热输入小、焊缝成形好等显著优越性而被广 泛应用于工业生产中。 1 3 3 激光焊接技术的发展和应用 激光焊接技术历经了从固体受激物质一气体受激物质一液体受激物质、脉冲激光 焊接一连续激光焊接、低功率一高功率、薄板一厚件、低速一高速、低频一高频及低效 一高效的历史【l 叼。激光焊接的应用随着激光焊接技术的发展而日趋广泛，可以利用其深 熔方式来焊接厚大工件，也可以通过热导方式焊接薄板。 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 激光焊接的基础性研究。7 0 年代以前，由于高功率连续波( c m 激光器尚未开发出来， 所以，研究重点集中在脉冲激光焊接( p w ) 。早期的激光焊接研究试验大多数是利用红宝 石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的脉冲能量，但这些激光器的平均输出功率却相 当低，这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性质所决定。n d ：y a g 激光 器由于具有较高的平均功率，在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备1 1 8 1 。 r e a d y 在1 9 7 1 年曾指出f 2 l l ，激光焊接与电子束焊接的显著区别在于，激光辐射不 能产生穿透( 小孔) 焊接方式，现在我们知道，这个结论是错误的，因为当激光束焦点的 能量密度达到1 0 6 w c m 2 时，小孔的形成条件得到满足，从而就可以利用激光束进行穿 透( 深熔) 焊接。同时，小孔的建立与维持需要一定的时间。因此，使用脉冲激光进行焊 接时，小孔就不易向深处扩展，也就不易产生深熔焊。 随着千瓦级连续c 0 2 激光器焊接试验的成功卿7 1 ，激光焊接的研究与应用情况在 1 9 7 1 年和1 9 7 2 年发生了变化。在大厚度不锈钢试件上进行c 0 2 激光焊接，形成了穿透 熔深的焊缝，从而清楚地表明了小孔的形成【2 研。这些利用c 0 2 激光器进行金属焊接的早 期工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和前苏联等国的研究 组也相继报道了高功率c 0 2 激光焊接技术的发展及其优化 2 9 - 3 2 。c 0 2 激光焊接进一步的 发展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的激光源，如何理解和解释接头设计、焊接 速度、光束聚集和等离子效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。除少数特例 外，在这些研究中，基本不采用功率高于2 0 k w 的激光器进行焊接，事实上，激光焊接 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 工艺开发与发展的后续经验表明，使用功率超过1 2 1 5 k w 的激光器进行焊接，并不会获 得更多的益处，除非应用在焊接速度极高及金属工件厚度极大的场合。 与波长1 0 6 p a n 的c 0 2 激光相比，波长1 0 6 i t m 的n d ：y a g 激光作用下的金属反射 率降低很多，因此，相对于c 0 2 激光器来说，使用平均功率大大降低的1 0 6 9 i n 波长的 固体激光器( n d ：y a g ) 进行焊接，可获得相当好的焊接质量。光纤传导技术可以较好 地应用于1 0 6 p m 的激光，甚至功率高于l k w 也是可行的，而c c h 激光则不具备这种性 能。目前，几乎所有用于焊接和热处理的固体n d ：y a g 激光器都与光导纤维系统组合使 用，具有革新性的纤维传送系统与n d ：y a g 激光器的结合大大增加了激光加工系统的方 便性与灵活性，这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非 常理想。值得注意的是，相同的平均功率条件下，脉冲n d ：y a g 激光比连续n d ：y a g 激光可获得更大的熔深口3 】。 激光焊接系统的成本通常高于传统的焊接设备，但其高生产率及焊缝质量足以弥补 此项缺憾，并使得激光焊接系统在技术上具有很强的综合竞争能力。目前在激光焊接技 术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等。横流连续激 光加工设备的输出功率可达2 0 k w ，脉冲n d ：y a g 激光器的最大平均输出功率也已达到 4 k w ，并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达8 0 m m ， 最小为0 0 5 r a m ，大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺【1 8 1 。激光焊接的应用 已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个 领域。激光焊接技术正向着低成本、高质量的方向发展，具有很大的发展潜力和发展前 景。在未来的2 l 世纪中，激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。很 多学者将激光加工连同电子束加工和等离子弧加工并称为2 1 世纪最具发展前景及最有 效的加工技术驯。 目前，国内激光焊接的研究主要集中在大厚板的焊接和激光电弧复合焊接的研究 中，对于薄板的焊接研究者较少，研究薄板殷钢材料的激光焊接者更是甚少。随着殷钢 合金的应用越来越广和激光焊接技术的进一步发展，相信会有更多的人力和物力投入到 这一研究行业中来。 1 4 本课题工作的主要内容 考虑到传统焊接方法焊接殷钢合金i n v a r 3 6 的局限性以及n d ：y a g 激光焊接的独特 的优势，本文使用n d ：y a g 脉冲激光对殷钢薄板材料焊接试验进行研究，主要内容包括： 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 ( 1 ) 薄板材料激光焊接原理分析。以激光热传导焊接原理为基础，使用半无限大体一 维热传导模型研究激光与材料相互作用的加热和熔融问题，计算焊接过程中材料熔化的 功率密度条件，分析最大熔透深度的影响因素。 ( 2 ) 试验参数的选择。在理论分析的基础上，结合薄板殷钢材料焊接的实际情况，讨 论功率密度、脉冲宽度、焊接速度、脉冲频率、离焦量对焊接过程的影响，给出各工艺 参数的选择依据，初选试验参数。 ( 3 ) 单道平板扫描试验。根据初选试验参数，采用单因素试验方法对两组不同厚度 ( o 5 m m o 8 r a m ) 的殷钢i n v a r 3 6 进行单道平板扫描试验，研究n d ：y a g 脉冲激光焊接 的工艺参数( 激光功率单脉冲能量、焊接速度、脉冲宽度和离焦量) 变化对殷钢i n v a r 3 6 焊接效果的影响规律，分析成因。 ( 4 ) 激光对焊。根据单道平板扫描的试验结果，选择合理的加工参数对焊两种厚度 ( 0 5 m m o 8 r a m ) 殷钢薄板材料。 ( 5 ) 对焊接头质量检测和分析。检测对焊接头表面质量，判断焊缝的熔透性以及是 否有裂纹、塌边等焊接缺陷；检测焊缝的微观组织、韫粒度、物相组成，分析成因；最 后测试接头的显微硬度和拉伸强度，综合分析微观组织变化对力学性能的影响，为殷钢 h v a r 3 6 的工业应用提供数据参考。 大连理工大学硕士学位论文 2 激光焊接的基本原理 2 1 激光加工物理基础 金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，其前提是激光可以被加工材料 吸收并转化为热能。在不同功率密度的激光束的照射下，材料表面区域将发生各种不同 的变化，这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔以及产生光致等离子体等。 图2 1 所示为不同功率密度激光辐射金属材料时的几个主要物理过程。 固态加热表面重熔小孔效应等离子体屏蔽 图2 1 不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程 f i f r 2 1 m a i np h y s i c a lp h e n o m e n ao f l a s e rb e a mi n t e r a c t i o nw i t l lm e t a l s 当激光功率密度小于1 0 4 w c m 2 数量级时，金属吸收激光能量只能引起材料表层温度 的升高，但维持固相不变，主要用于零件的表面退火和相变硬化处理。 当激光功率密度在1 0 l 1 0 6 v g c r t l 2 数量级范围内时，材料表层将发生熔化，主要用 于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。 当激光功率密度达到1 0 6 w c m 2 数量级时，材料表面在激光束的照射下强烈气化， 在气化膨胀压力作用下，液态表面向下凹陷形成深熔小孔，与此同时，金属蒸汽在激光 束的作用下电离产生光致等离子体。这一阶段主要用于激光深熔焊接、切割和打孔等。 当激光功率密度大于1 07 w c m 2 数量级时，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。这一阶段一般只适用于采 用脉冲激光进行诸如打孔、冲击硬化等加工工艺。 上述功率密度范围只是一个粗略的划分。在不同条w f ，不同波长激光照射不同金 属材料，每一阶段的功率密度的具体数值会存在一定的差异。在不同功率密度激光作用 下，材料表面区域物理状态的不同变化反过来又将极大地影响激光与被加工材料之间的 相互作用i j ”。 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 2 2 激光焊接分类 根据激光对工件的作用方式或激光束的输出方式的不同，可以把激光焊接划分为脉 冲激光焊接和连续激光焊接。前者主要用于单点和薄件材料的焊接，后者主要用于大厚 件的焊接和切割；前者形成一个个圆形焊点，后者形成一条连续的焊缝。通常，脉冲激 光焊接中使用的激光器类型为n d ：y a g 激光器。 根据实际作用在工件上的功率密度或激光焊接时焊缝的形成特点，又可以激光焊接 分为热传导焊接和深熔焊接( 小孔激光焊接) 两类口6 1 。这两种激光焊接机理，与功率密 度、照射时间、材料性质、焊接方式等因素有关。热传导焊接，激光功率密度较低，一 般小于1 0 5w c m 2 ；而深熔焊接功率密度较大，一般大于或等于1 0 6 w c m 2 。这两种方式 最根本的区别在于；前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔【1 叼。当功 率密度较低、照射时间较长而焊件较薄时，激光焊接通常以熔化传热机理为主进行。反 之，则是以深穿入熔化机理为主进行。 2 3 焊接过程中激光与材料的相互作用 激光焊接实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上 是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、气化等现象【蜘。 2 3 1 光的反射和吸收 激光入射到材料表面，一部分被反射，一部分被材料吸收，另一部分通过材料透射。 用面表示入射到材料表面的激光能量，舔表示被材料表面反射的激光能量，玩表示被 材料表面吸收的能量，西表示遵迎材料的激光能量，则由能量守恒定律有： e r + e a + e 筒o( 2 1 ) 上式可改写为 导+ 叁+ 享：r + a + 弘l ( 2 2 ) e 。e 。e 。 、 式中且为反射率，4 为吸收率，r 为透射率。 对于不透明材料，透射光也被吸收，即z 卸，则有 r + a = i ( 2 3 ) 大多数毫秒量级以上的激光加工属于热加工，材料对激光的吸收是激光加工得以实 现的前提。材料的反射率可用式( 2 4 ) 估算： 大连理工大学硕士学位论文 肛黜篙k( 1 + n ) 2 + 2 ( 2 4 ) 式中假设材料表面与空气是分界的，甩和k 分别为复数折射率的实数部分和虚数部 分。相应的数值可从常用数据表中查到，估算出该材料的反射率，为其激光加工工艺提 供参考。把r 代入式( 2 3 )