激光焊接实验报告汇总.doc

激光先进制造实验实验报告n 激光焊接实验报告一、 实验目的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具体过程。2、 观察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步骤和方法，能够进行简单的焊接操作。4、掌握金相测量方法，观察和记录焊接实验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进行合理分析。5、了解激光焊接的应用。二、 实验原理2.1 激光焊接原理激光焊接采用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104 105 W/cm2 为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105 107W/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 激光器焊接结构图。图1 CO2 激光器焊接结构图在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，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，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。当功率密度在大于104W/cm2小于106W/cm2数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度达到106W/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。同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功率密度大于107W/cm2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，出现等离子体对激光的屏蔽现象。图2 不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程2.2 激光焊接模式根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。2.2.1、 激光热传导焊接激光加热加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池，如图3（a）所示。当焊接熔池在金属蒸汽反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小孔后，材料对激光的吸收将发生突变。材料的吸收率将不再仅与激光波长、金属特性和材料表面状态有关，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。2.2.2、 激光深熔焊接激光深熔焊接一般采用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似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500C 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表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面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动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。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。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。14a 激光热导焊示意图 b 激光深熔焊示意图图3 激光焊接原理图2.3 激光束自聚焦过程激光束作用金属材料表面时，在低功率密度情况下，金属材料对激光的吸收仅发生在表面很薄区域内，使表面温度升高。当激光功率达到材料蒸发所需的临界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。随着激光功率密度的升高，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，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改变，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，促使熔池进一步下陷。当材料的蒸发压力达到某一临界值时，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，材料对激光的吸收率将急剧增加，形成激光深熔焊接。图4 激光束自聚焦示意图2.4 激光焊接的工艺参数激光焊的主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，一旦达到或超过此值，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。如果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于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。在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/cm2，在激光深熔焊接的功率密度在1081010W/cm2。2.4.2 激光脉冲波形当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化，在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。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，它既是区别于材料去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 离焦量激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。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，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。如图5所示。图5 激光束的离焦量定义2.4.5 材料吸收值材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收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，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。2.4.5.1 波长对吸收率的影响金属的吸收率A与激光波长和金属的直流电阻率存在如下关系：。从图6中得：固体金属表面对激光的反射性较强，这是因为金属对激光的吸收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，次波又造成强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。图6 室温下不同金属对不同波长激光的吸收率2.4.5.2 温度对吸收率的影响随着温度升高，在激光作用下金属的吸收率与温度的关系可由下面的公式描述：，从理论上，材料对激光的吸收率随温度的升高而增大，金属材料在室温下的吸收率都比较小，当金属温度达到熔点产生熔融和气化后，吸收率上升到4050%；当接近沸点时吸收率可高达90%，激光功率越大、作用时间越长，金属的吸收率越高。2.4.5.3 表面粗糙度对吸收率的影响材料的表面状况如：粗糙度、氧化层和缺陷等对激光的反射率影响很大。因此增大材料表面粗糙度可以提高材料对激光的吸收率。当粗化表面微观不平度达到波长量级左右时，材料对激光的吸收率变化较大。但随着温度的升高，这种现象将减少，甚至为零。2.4.6 焊接速度焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。2.4.7 保护气体保护气体的作用：、 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。、 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，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。、 驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸汽吸收激光束电离成等离子云，金属蒸汽周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。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。从表可知，等离子体云尺寸与采用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。造成这种差别的原因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扩散差别。三、 实验设备和实验材料3.1 实验设备及其参数3.1.1 CO2 激光器焊接系统Rofin Slab DC035CO2激光器。配备六轴联动激光三维加工系统(ARNOLD)，参数如下：波长焦距f脉冲频率最大功率光束模式焦斑直径加工范围10.6m300mm05kHz3500WTEM000.286mm3000mm2000mm1000mm120on360on360o3.1.2 Nd：YAG 激光器焊接系统Rofin CW025 YAG激光器。配备五轴联动机械手，参数如下：波长焦距f脉冲频率最大功率光纤长度焦斑直径10.6m120mm01kHz2500W10m0.29mm3.2 实验材料CO2 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%硝酸、10% NaOH 溶液。四、 实验方法4.1 焊接实验焊接方式采取平板焊接方式，焊接过程中依次增大激光器功率，对比不同的金属材料（低碳钢，铝合金）在不同功率下对焊接过程实现想象及结果。实验过程中仔细观察实验现象，如激光焊接时的颜色、声音和产生的火花现象。实验过程中严格记录实验数据、实验现象，由于两种激光对人眼均有伤害，实验过程中必须严格遵守相应安全守则。4.2 实验过程及实验结果4.2.1 CO2激光器焊接实验用3500W 的CO2 激光器对45#低碳钢，6061 铝合金进行焊接，焊接过程都采用He气保护，气体流量15L/min，用焦距300mm 透镜聚焦将光斑汇聚到280um，正离焦焊接，焊接速度为2m/min。A、 45#低碳钢钢焊接将功率从500W 开始逐步增加至3500W，共选取11个功率点进行焊接。将实验现象及数据记入表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 开始逐步增加至3500W，共选取13 个功率点进行焊接。将实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、10。4.2.2 YAG激光器316L不锈钢焊接实验用2500W的YAG激光器对45#低碳钢进行焊接，根据试样规格对机械手进行调试，设定焊接实验程序。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。A、316L不锈钢焊接焊接功率从600W逐渐变化到1600W，共11个功率点。将实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。将实验现象记入表5。4.3 金相分析实验选取适当位置切割试样，并进行研磨、腐蚀，之后在光学显微镜下观察焊缝熔宽、熔深及焊缝中的缺陷，选择合适的测量标准记录数据。实验过程：选取适当位置在切割机上进行切割，在本次实验中对每一块试样进行两次切割，并选取34 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15min。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，将各组实验数据记录并整理记入表2、3、4。五、 实验结果及分析由测量中采用35 格为1mm，根据实验数据，利用公式计算不同功率情况下熔深、熔宽的平均值，其中为平均熔深或熔宽， 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：，其中S 为功率密度， P 为激光功率，r 为光斑半径。利用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），通过观察曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进而进行实验分析。5.1 CO2 激光器焊接实验5.1.1 45#低碳钢钢焊接实验现象，结果及分析：表2 CO2 焊接45#低碳钢熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象编号激光功率（W）功率密度(W/cm2)实验现象熔深（mm）熔宽（mm）1500812427微弱黄光,无飞溅0.310.492600974912黄光,无飞溅0.740.4937001137398先黄光，后蓝白光,开始有飞溅0.910.6948001245282蓝白光, 飞溅开始增多1.20.6959001462368蓝白光, 飞溅增多1.460.77610001624854先蓝白光，后白光, 飞溅增多1.740.77715002437281先蓝白光，后白光, 飞溅增多2.61820003249708白光, 飞溅开始减少3.541925004062134白光, 飞溅减少3.891.171030004874561强烈白光, 飞溅消失4.571.231135005686988强烈白光, 产生气团51.34 图7 熔深、熔宽与功率的关系曲线图8 熔深、熔宽与激光功率的关系曲线从表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 的情况下，随着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，同时声音也逐渐增大，飞溅增强，光亮加深，光亮刺眼更强且刺眼体积部分变大。当激光功率密度小于600W(功率密度为9.7105W/cm2)，曲线变化比较平缓，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高及表层发生熔化。功率密度到达700W(功率密度为1.137106W/cm2)时，曲线变化加快，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1.137106 W/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。5.1.2 铝合金6061 焊接实验现象及结果表3 CO2焊接6061铝合金熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象编号功率（w）功率密度（w/cm2）实验现象熔深/mm熔宽/mm110001624854黄光，光点很小，无飞溅00212001949825黄光，光点很小，无飞溅00.14314002274795黄光，光点较大，无飞溅00.17416002599766先黄光，后绿光，无飞溅00.2518002924737黄光、绿光间杂出现，无飞溅00.29620003249708黄光、绿光间杂出现，开始有飞溅00.29722003574678出现绿光，飞溅较多00.29824003899649出现绿光，后消失，飞溅逐渐增多2.112.2926004224620出现绿光，后消失，飞溅逐渐增多2.142.231028004549591瞬间绿光，后为黄光，飞溅增多2.292.631130004874561绿光，后黄光变强，飞溅增多2.42.711233005362017绿光，后黄光变强，飞溅增多2.712.711335005686988黄色亮光更强有火花，飞溅增多3.032.94图9 熔深，熔宽与功率的关系曲线图10 熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在对铝合金6061 的焊接中，由表3，图9、10 知，激光功率在1000W2200W 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22002400W、功率密度为3.575106W/cm23.900106 W/cm2时，熔深、熔宽有了大幅度提升（突变），可见阈值范围在3.900106 W/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2200W3500W、功率密度为3.575106 W/cm25.687106 W/cm2时，熔深熔宽的深度及宽度增长，即在一定条件范围内，随着功率的增加，焊接深度增加。5.2 YAG 激光器316L 不锈钢焊接实验5.2.1 45#低碳钢钢焊接表4 固体Nd：YAG 激光器焊接316L 不锈钢熔深，熔宽与功率(功率密度)的实验数据编号功率(W)功率密度(W/cm2)实验现象熔深(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1.8571431.357143121500530516.477亮点变亮1.9714291.428571图11 熔深，熔宽与功率的关系曲线图12 熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在实验过程中可以观察到：随着激光功率的增加，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，功率在增加过程中，焊接的熔深、熔宽均随之增加。如图11、12 所示，当激光加工功率在1300W1400W（功率密度为0.460106W/cm20.495106W/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，因此我们推算功率的阈值约1300W1400W 中间值1350W 左右，功率密度阈值约为0.478106W/cm2 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。5.2.2 铝合金6061 焊接固体Nd：YAG 激光器焊接6061 铝合金无实验数据，实验过程现象如表5 所示编号激光功率（W）实验现象1600焊缝、火苗小，亮点小，无飞溅，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61600焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音71800焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音82000焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音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，且随着激光功率的增加，熔深和熔宽应该会有小幅度的提升或变化。六、 实验结论通过对四次实验数据的分析和对比，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。其中在达到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、对波长吸收率等特性，不同类型的金属焊接的结果也有所不同。如在本次实验中，铝合金对激光的吸收率较之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收率下降，另一方面则由于铝合金比45#低碳钢更容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，因此相同功率时前者的功率密度较大，所以CO2激光器焊接质量要优于YAG。n 光束质量测量方法一、 实验目的1、 了解测量光束质量的方法2、 掌握基于空心探针测量原理的PROMETEC 公司的LASERSCOPE UFF100 大功率光束光斑质量检测仪的使用方法。二、 实验原理采用基于空心探针测量原理的PROMETEC 公司的LASERSCOPE UFF100 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，这一方法过去是作为大功率激光光束光斑质量检测而提出的。由一个定速电机带动空心探针转动，探