激光焊接实验报告

1、激光焊接实验报告激光焊接实验报告激光焊接实验报告激光焊接实验报告一、实验目的1、理解激光焊接的基本源理及特色，熟习运用激光进行金属焊接的详细过程。2、察看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、掌握金相丈量方法，察看和记录焊接实验现象，丈量熔深、熔宽，并对焊接结果进行合理分析。5、认识激光焊接的应用。二、实验原理2.1激光焊接原理激光焊接采纳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104105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度5

2、1072大于10W/cm时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，拥有焊接速度快、深宽比大的特色。图1是CO2激光器焊接构造图。图1CO2激光器焊接构造图在焊接金属的过程中，跟着激光功率密度提高，资料表面会发生一系列变化，其包含表面温度高升、融化、气化、形成小孔并出现光致等离子体。不同样功率密度激光焊接金属资料时的主要过程如图2所示。当激光功率密度小于4210W/cm数目级时，金属汲取激光能量只惹起资料表层温度的高升，并无发生融化。当功率密度在大于426210W/cm小于10W/cm数量级范围内时，金属料表层发生融化。功率密度达到6210W/cm数目级时，资料表面在激光束的作用下发生气化

3、，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，陪伴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7210W/cm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障蔽现象。图2不同样功率密度激光辐照金属资料的主要物理过程2.2激光焊接模式依据能否产生小孔效应能够把激光焊接分为两种模式，即热导焊模式和深熔焊模式。、激光热传导焊接激光加热加工表面，表面热量经过热传导向内部扩散，经过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频次等激光参数，使工件融化，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，资料对

4、激光的汲取将发生突变。资料的汲取率将不再仅与激光波长、金属特色和资料表面状态有关，而主要取决小孔效应和等离子体与激光的互相作用等要素，此时焊接模式由热导焊接转变成深熔焊接。、激光深熔焊接激光深熔焊接一般采纳连续激光光束达成资料连结，其冶金物理过程与电子束焊接极为相像，即能量变换系统是经过“小孔”构造来达成的。在足够高的功率密度激光照耀下，资料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸汽的小孔仿佛一个黑体，几乎汲取全部的入射光束能量，孔腔内均衡温度达2500C左右，热量从这个高温孔腔外壁传达出来，使包围着这个孔腔四周的金属融化。小孔内充满在光束照耀下壁体资料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液

5、态金属四周包围着固体资料（而在大部分常例焊接过程和激光传导焊接中，能量第一积聚于工件表面，此后靠传达输送到内部）。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对持并保持着动向均衡。光束不停进入小孔，小孔外的资料在连续流动，跟着光束挪动，小孔素来处于流动的坚固状态。也就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属跟着前导光束行进速度向前挪动，熔融金属填补着小孔移开后留下的缝隙并随之冷凝，焊缝于是形成，如图3（b）所示。上述过程的全部这全部发生得这样快，使焊接速度很简单达到每分钟数米。a激光热导焊表示图b激光深熔焊表示图图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资料表面时，在低功率密度状况

6、下，金属资料对激光的汲取仅发生在表面很薄地区内，使表面温度高升。当激光功率达到资料蒸发所需的临界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。跟着激光功率密度的高升，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增添，同时，熔池表面的曲率半径将减小，如图4所示。因为熔池表面下陷，形成凹坑，致使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，更高的功率密度促进熔池底部金属蒸发加剧，产生的反冲压力高升，促进熔池进一步下陷。当资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猛然形成小孔，焊接深度跳跃式增添，资料对激光的汲取率将急剧增添，形成激光深熔焊接。图4激光束自聚焦表示图2

7、.4激光焊接的工艺参数激光焊的主要工艺参数包含脉冲能量、脉冲宽度（脉宽）、脉冲形状、功率密度以及离焦量或焦点地点等。功率密度关于不同样的激光焊接，存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超出此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超出阈值，等离子体才会产生，这标记住坚固深熔焊的进行。假如激光功率低于此阈值，工件仅发生表面融化，也即焊接以坚固热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件周边时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不坚固焊接过程，导致熔深颠簸很大。在传导型激光焊接中，功率密度在范围在4621010W/cm，在激光深熔焊接的功率密度在81021010W/cm

8、。激光脉冲波形当高强度激光束射至资料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失去，且反射率随表面温度变化，在一个激光脉冲作用时期内，金属反射率的变化很大。激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是差异于资料去除和资料融化的重要参数，也是决定加工设施造价及体积的重点参数。离焦量激光焊接平常需要必然的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，简单蒸发成孔。走开激光焦点的各平面上，功率密度散布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。在实质应用中，当要求熔深较大时，采纳负离焦；焊接薄资料时，宜用正离焦。如图5所示。图5激光束的离焦量定义资料汲取值资料对激光的汲取取决于资料的一些

9、重要性能，如汲取率、反射率、热导率、融化温度、蒸发温度等，此中最重要的是汲取率。影响资料对激光光束的汲取率的要素包含两个方面：第一是资料的电阻系数，经过对资料抛光表面的汲取率丈量发现，资料汲取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，资料的表面状态（或许光洁度）对光束汲取率有较重要影响，从而对焊接见效产生显然作用。波长对汲取率的影响金属的汲取率A与激光波长和金属的直流电阻率存在以下关系：A0.365。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汲取主假如经过大批自由电子的带间跃迁实现的，自由电子受光波中激烈的电磁波的影响逼迫振动而产生次波，次波又造成激烈的

10、反射波和比较弱的透射波。所以，金属的电导率越高，其反射率也越高。图6室温下不同样金属对不同样波长激光的汲取率温度对汲取率的影响跟着温度高升，在激光作用下金属的汲取率与温度的关系可由下边的公式描绘：A(T)=A0+r(T-T0)，从理论上，资料对激光的汲取率随温度的高升而增大，金属资料在室温下的汲取率都比较小，当金属温度达到熔点产生熔融平易化后，汲取率上涨到4050%；当凑近沸点时汲取率可高达90%，激光功率越大、作用时间越长，金属的汲取率越高。表面粗拙度对汲取率的影响资料的表面状况如：粗拙度、氧化层和缺点等对激光的反射率影响很大。所以增大资料表面粗拙度能够提高资料对激光的汲取率。当粗化表面微观

11、不平度达到波长量级左右时，资料对激光的汲取率变化较大。但跟着温度的高升，这类现象将减少，甚至为零。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，但速度过低又会致使资料过分融化、工件焊穿。所以，对必然激光功率和必然厚度的某特定资料有一个适合的焊接速度范围，并在此中相应速度值时可获取最大熔深。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，当某些资料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大部分应用途合则常使用氦、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，因为其喷出物变得特别有力，此时保护透镜

12、则更加必需。、遣散高功率激光焊接产生的等离子障蔽。金属蒸汽汲取激光束电离成等离子云，金属蒸汽四周的保护气体也会因受热而电离。假如等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体耗费。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。经过增添电子与离子和中性原子三体碰撞来增添电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频次越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体自己的电离而增添电子密度。从表可知，等离子体云尺寸与采纳的保护气体不同样而变化，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。造成这类差其余原由第一因为气体

13、分子的电离程度不同样，其余也因为保护气体不同样密度惹起金属蒸汽扩散差异。三、实验设施和实验资料3.1实验设施及其参数2激光器焊接系统RofinSlabDC035CO激光器。装备六轴联动激光三维加工系统2(ARNOLD)，参数以下：脉冲最大光束焦斑加工范围波长焦距f功率模式直径频次10.6m300mm053500WTEM000.2863000mm2000mm1000mm120on360on360okHzmm：YAG激光器焊接系统RofinCW025YAG激光器。装备五轴联动机械手，参数以下：波长焦距f脉冲频次最大功率光纤长度焦斑直径10.6m120mm01kHz2500W10m0.29mm3.2

14、实验资料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纳平板焊接方式，焊接过程中挨次增大激光器功率，比较不同样的金属资料（低碳钢，铝合金）在不同样功率下对焊接过程实现想象及结果。实验过程中仔细察看实验现象，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，因为两种激光对人眼均有损害，实验过程中必然严格恪守相应安全守则。4.2实验过程及实验结果2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

15、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开始逐渐增添至3500W，共采纳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开始逐渐增添至3500W，共采纳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。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，依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

16、采纳4bar的Ar气，焊接速度为2m/min。采纳F=120mm透镜，光斑为0.6mm.焊接过程中先通保护气体再开光，因为YAG激光对人眼有很大损害，焊接过程中必然佩带防备眼镜。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金相分析实验采纳适合地点切割试样，并进行研磨、腐化，今后在光学显微镜下察看焊缝熔宽、熔深及焊缝中的缺点，选择适合的丈量标准记录数据。实验过程：采纳适合地点在切割机进步行切割，在本

17、次实验中对每一块试样进行两次切割，并采纳34个截面进行仔细研磨，将磨好后的试样进行腐化，此中45#低碳钢选择5%硝酸、酒精混淆溶液，铝合金采纳NaOH溶液，腐化时间大体15min。试样办理好后，在光学显微镜下对焊缝的熔宽、熔深及焊缝中的宏观缺点进行丈量，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nknXn135n计算不同样功由丈量中采纳35格为1mm，依据实验数据，利用公式率状况下熔深、熔宽的均匀值，此中X为均匀熔深或熔宽，kn为第n个丈量点下的格子数，为n丈量点的数目。ps2，此中S为功率密度，P为激光功功率转变成功率密度的公式为：r率，r为光斑半径。利用excel绘出各焊

18、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），经过察看曲线中熔深和熔宽的变化，确立阈值范围，从而进行实验分析。5.1CO2激光器焊接实验5.1.145#低碳钢钢焊接实验现象，结果及分析：表2CO2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激光功率密度实验现象功率熔深（mm）熔宽（mm）号(W/cm2)（W）1500812427略微黄光,无飞0.310.49溅2600974912黄光,无飞溅0.740.4937001137398先黄光，后蓝白0.910.69光,开始有飞溅48001245282

19、蓝白光,飞溅1.20.69开始增添59001462368蓝白光,飞溅1.460.77增添610001624854先蓝白光，后白1.740.77光,飞溅增添715002437281先蓝白光，后白2.61光,飞溅增添820003249708白光,飞溅开3.541始减少925004062134白光,飞溅减3.891.17少1030004874561激烈白光,飞4.571.23溅消逝1135005686988激烈白光,产51.34生气团图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中能够看出在保护气体为He，焊接速度保持在2m/min的状况下，跟着激光功率密度的提高

20、，45#钢的资料表面会发生一系列变化，包含表面温度高升、融化、气化、形成小孔并出现光致等离子体，同时声音也逐渐增大，飞溅加强，光明加深，光明刺目更强且刺目体积部分变大。当激光功52率密度小于600W(功率密度为9.710W/cm)，曲线变化比较缓和，金属汲取激光能量只惹起资料表层温度的高升及表层发生融化。功率密度抵达700W(功率密度为621.13710W/cm)时，曲线变化加速，资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的焊接点有显着提高，即发生了跳变，在此今后，跟着激光功率的增添，熔深与熔宽之比也有较大幅度的提高。依据激光

21、焊接模式原理，我们62得悉在功率密度为1.13710W/cm以前，属于热传导过程，即焊接种类为热铝合金6061焊接实验现象及结果表3CO2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密度功率（w）（w/cm2）实验现象熔深/mm熔宽/mm1黄光，光点很10001624854小，无飞溅002黄光，光点很12001949825小，无飞溅00.143黄光，光点，无飞溅00.174先黄光，后绿16002599766光，无飞溅00.25黄光、绿光间杂出现，无00.296黄光、绿光间杂出现，开始20003249708有飞溅0

22、0.297出现绿光，飞22003574678溅好多00.298出现绿光，后消逝，飞溅逐24003899649渐增添2.112.29出现绿光，后消逝，飞溅逐26004224620渐增添2.142.2310瞬时绿光，后为黄光，飞溅28004549591增添2.292.6311绿光，后黄光变强，飞溅增30004874561多2.42.7112绿光，后黄光变强，飞溅增33005362017多2.712.711335005686988黄色亮光更3.032.94强有火花，飞溅增添图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1

23、000W2200W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、6262功率密度为3.57510W/cm3.90010W/cm时，熔深、熔宽有了大幅度提高（突变），可见阈值范围在62周边，即阈值以前为热导焊、阈值今后3.90010W/cm626为深熔焊。在激光功率为2200W3500W、功率密度为3.57510W/cm5.687102W/cm时，熔深熔宽的深度及宽度增添，即在必然条件范围内，跟着功率的增添，焊接深度增添。5.2YAG激光器316L不锈钢焊接实验5.2.145#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

24、实验数据编号功率密度实验现象功率(W)(W/cm2)熔深(mm)熔宽(mm)1400141471.0605黄色亮点0.20.8571432亮点逐渐变500176838.8257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0.60.885714912

25、00424413.1816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能够察看到：跟着激光功率的增添，光芒逐渐变亮，陪伴烟尘，蓝光的产生，而且声音逐渐增大。但焊接的整个过程中均无飞溅的产生。从表4，图11中我们能够看出，功率在增添过程中，焊接的熔深、熔宽均随之增添。如图6211、12所示，当激光加工功率在1300W1400

26、W（功率密度为0.46010W/cm0.495210W/cm）之间时，焊缝的深度，宽度以及深宽比有大幅度提高，而在此以前的都比较小，所以我们计算功率的阈值约1300W1400W中间值1350W左右，功率62密度阈值约为0.47810W/cm左右。即在临界点以前能够为焊接种类为热导焊，今后为深熔焊。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

27、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，且跟着激光功率的增添，熔深和熔宽应当会有小幅度的提高或变化。六、实验结论经过对四次实验数据的分析和比较，我们获取以下结论：1、在任何一种焊接方式下，跟着激光功率(功率密度)的增添（其余各条件保持不变），焊缝的熔深与熔宽都随

28、之增大，即焊缝的尺寸与功率成正有关。此中在达到某一特定功率密度时，焊缝的尺寸会大幅度增添，深宽比也显着增大，我们以为此时的功率密度即为热导焊向深熔焊转变的阈值。2、因为资料自己的性质，如粗拙度、对波长汲取率等特色，不同样种类的金属焊接的结果也有所不同样。如在本次实验中，铝合金对激光的汲取率较之45#低碳钢较低，一方面因为铝合金对激光的反射较强致使汲取率降落，另一方面则因为铝合金比45#低碳钢更简单产生等离子体障蔽的现象。3、因遇到光束质量的影响，CO2激光器的聚焦光斑尺寸比YAG激光器要小，所以同样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。光束质量丈量方法一、实验目的1、认识丈量光束质量的方法2、掌握鉴于空心探针丈量原理的PROMETEC企业的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑质量检测仪的使用方法。二、实验原理采纳鉴于空心探针丈量原理的PROMETEC企业的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑质量检测仪丈量大功率CO2激光器的光束质量。如图13所示是空心探针探测法丈量原理，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，探针一端有一个微孔，探针