激光焊接试验报告

激光焊接试验报告1、理解激光焊接的根本原理及特点，生疏运用激光进展金属焊接的具体过程。2、 观看CO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、把握激光焊接机床及机械手的根本操作步骤和方法，能够进展简洁的焊接操作。4、把握金相测量方法，观看和记录焊接试验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进展合理分析。5、了解激光焊接的应用。激光焊接原理激光焊接承受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。104~105W/cm2105~107W/cm2时，金属外表受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特1CO21CO激光器焊接构造图2在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，材料外表会发生一系列变化，其包括外表温度上升、熔化、气化、形成小孔并消灭光致等离子体。不同功率密度激光焊接金属材料时的主要过程如2104W/cm只引起材料表层温度的上升，并没有发生熔化。当功率密度在大于 小于io6w/cm数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度到达106W/crn数量级时，材料外表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/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，消灭等离子体对激光的屏蔽现象。2激光焊接模式依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。激光加热加工外表，外表热量通过热传导向内部集中，通过掌握激光脉冲的宽度、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，材料对激光的吸取将发生突变。材料的吸取率将不再仅与激光波长、金属特性和材料外表状态有关，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。激光深熔焊接一般承受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像，即能量转换机制是通过“小孔”构造来完成的。在足够高的功率密度激光照耀下，材料产生蒸发并形成小孔。这个布满蒸汽的小孔如同一个黑体，几乎吸取全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500°C在光束照耀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外表，然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流淌和壁层外表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淌，随着光束移动，小孔始终处于流淌的稳定状态。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3(b)数米。a激光热导焊示意图 b 图3激光焊接原理图激光束自聚焦过程激光束作用金属材料外表时，在低功率密度状况下，金属材料对激光的吸取仅发生在外表很薄区域内，使外表温度上升。当激光功率到达材料蒸发所需的临界功率密度时，金属外表开头发生蒸发。随着激光功率密度的上升，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，熔池外表的曲率半径将减小，如图 4所示。由于熔池外表下陷，形成凹坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生转变，凹陷的熔池使入射激光经反射后会聚于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金属蒸发加剧，产生的反压力使下陷的熔池陡然形成小孔，焊接深度跳动式增长，材料对激光的吸取率将急剧增加，形成激光深熔焊接。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〕、脉冲外形、功率密度以及离焦量或焦点位置等。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，一旦到达或超过104~106W/cm2，在激。激光脉冲波形60~98激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区分于材料去除和材料熔化的重要参数，也是打算加工设备造价及体积的关键参数。离焦量激光焊接通常需要肯定的离焦量，由于激光焦点处光斑中心的功率密度过高，简洁蒸发成孔。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，承受负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。如图5所示5245的因素包括两个方面： 首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光外表的吸取率测材料对激光的吸取取决于材料的一些重要性能，如吸取率、反射率、热导率、的因素包括两个方面： 首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光外表的吸取率测量觉察，材料吸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，材料的2.4.5.1 波长对吸取率的影响金属的吸取率A与激光波长入和金属的直流电阻率p存在如下关系：A0.365、V6大量自由电子的带间跃迁实现的，烈的电磁波的影响强迫振动而产生次波，

次波又造成猛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。6245.2o随着温度上升，在激光作用下金属的吸取率与温度的关系可由下面的公式描述：A(TA0+r(T-T)，从理论上，材料对激光的吸取率随温度的上升而增o大，金属材料在室温下的吸取率都比较小，当金属温度到达熔点产生熔融和气化40~5090长，金属的吸取率越高。2.4.5.3材料的外表状况如：粗糙度、氧化层和缺陷等对激光的反射率影响很大。因此增大材料外表粗糙度可以提高材料对激光的吸取率。当粗化外表微观不平度达到波长量级左右时，材料对激焊接速度化、工件焊穿。所以，对肯定激光功率和肯定厚度的某特定材料有一个适宜的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。保护气体保护气体的作用：i、 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外表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。ii、 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，由于其喷出物变得格外有力，此时保护透镜则更为必要。iii、驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。金属蒸汽吸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。假设等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为其次种能量存在于工作外表，使得熔深变浅、焊接熔池外表变宽。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，等离子体云尺寸与承受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。造成这种差异的缘由首先由于气体分子的电离程三、试验设备和试验材料试验设备及其参数CO激光器焊接系统2RofinSlabDC035CO(ARNOLD)参数如下：脉脉入f冲频最大光束焦斑加工范围功率模式直径率0〜0.2810.6300m53500WTEIU63000mrX2023mrX1000mrX±120oxymmn360xymmn360xn360kHzmm°°RofinCW025YAG 光器。配备五轴联动机械手，参数如下:波长入波长入焦距f脉冲频率最大功率光纤长度焦斑直径10.6ym120mm01kHz2500W10m0.29mm试验材料CO激光器焊接：45#低碳钢〔6mm厚〕，6061铝合金。Nd:YAG316L6061四、试验方法焊接试验焊接方式实行平板焊接方式，焊接过程中依次增大激光器功率，比照不同的金属材料〔低碳钢，铝合金〕在不同功率下对焊接过程实现想象及结果。试验过程中认真观看试验现象，如激光焊接时的颜色、声音和产生的火花现象。试验过程中严格记录试验试验过程及试验结果CO激光器焊接试验2用3500W的CQ激光器对45#低碳钢，6061铝合金进展焊接，焊接过程都采用He气保护，气体流量15L/min，用焦距300mm透镜聚焦将光斑会聚到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开头逐步增加至3500VY共选取11个功率点进展焊接。将试验现象及数据2/7、8。B、铝合金6061焊接功率从1200W开头逐步增加至3500W共选取13个功率点进展焊3/910。YAG316L用2500V的YA做光器对45#低碳钢进展焊接，依据试样规格对机械手进展调试，设定焊接4barAr2m/minF=120m0.6mm.焊接过程中先通保护气体再开光，由于YAG激光对人眼有很大损害，焊接过程中必需佩戴防护眼镜。A、316L不锈钢焊接焊接功率从600W渐渐变化到1600W,共11个功率点。将试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。B6061焊接功率从600W渐渐变化到1200W将试验现象记入表5。金相分析试验选取适当位置切割试样，并进展研磨、腐蚀，之后在光学显微镜下观看焊缝熔宽、熔深及焊缝中的缺陷，选择适宜的测量标准记录数据。试验过程：选取适当位置在切割机上进展切割，在本次试验中对每一块试样进展两次切割，并选取3~4个截面进展细致研磨，将磨好后的试样进展腐蚀，其中 45#低碳钢选择5%硝酸、酒精混合溶液，铝合金承受NaOH溶液，腐蚀时间或许1~5min。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展测量，将各组试验数据记录并整理2、3、4。五、试验结果及分析由测量中承受35格为1mm依据试验数据，利用公式

nX knn135n计算不同功率状况下熔深、熔宽的平均值，其中X为平均熔深或熔宽，kn为第门个测量点下的格子数，为n测量点的数目。p~2功率转化为功率密度的公式为:r,其中SP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〕，通过观看曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进而进展试验分析。CO激光器焊接试验245#低碳钢钢焊接试验现象，结果及分析：2CQ45#低碳钢熔深、熔宽与功率〔功率密度〕的试验数据及试验现象激光激光试验现象编功率功率密度熔深〔mrm熔宽〔mrin号〔W/cmf〕〔W微弱黄光,310.49飞溅2600974912黄光,无飞溅0.740.4937001137398先黄光，后蓝0.910.69白光，开头有飞溅飞溅蓝白光，飞480012452821.20.69溅开头增多蓝白光，飞590014623681.460.77溅增多先蓝白光，后610001624854白光，飞溅1.740.77增多先蓝白光，后715002437281白光，飞溅2.61增多白光，飞溅8202332497083.541开头削减白光，飞溅9250040621343.891.17削减10300048745614.571.23猛烈白光，飞溅消逝11 3500

产生气团

5 1.3478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的状况下，随着激光功率密度的提高，45#钢的材料外表会发生一系列变化，包括外表温度上升、熔化、气化、形成小孔并消灭光致等离子体，同时声音也逐渐增大，飞溅增加，光亮加深，光亮刺眼更强且刺眼体积局部变大。当激光功率密度小于600W功率密度为9.7X105W/cm〕，曲线变化比较平缓，金属吸取激光能量只引起材料表层温度的上升及表层发生熔化。功率密度到达700W功率1.137X106W/cn〕时，曲线变化加快，材料外表在激光束的辐照下发生气化，在气化n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。依据激光焊接模式原理，我们得知在功率密度为1.137X106W/crn之前，属于热传导过程，即焊接〔阈值〕后，熔池深宽比增大，这时焊接类型为深熔焊。铝合金6061焊接试验现象及结果3CQ6061〔功率密度〕的试验数据及试验现象编号 功率密度(w/cm)功率(w) 试验现象黄光，光点1很小，无飞

熔深/mm 熔宽/mm1000 21200 31400 4

溅很小，无飞溅较大，无飞溅绿光，无飞

0 00 0.140 0.1716005

2599766

溅间杂消灭，

0 0.2无飞溅1800 2924737 0 0.29黄光、绿光6间杂消灭，2023

开头有飞溅

0 0.297 消灭绿光，2200 82400 92600

飞溅较多溅渐渐增多溅渐渐增多

0 0.292.11 2.22.14 2.2310280011

4549591

瞬间绿光，1/L、/ 、后为黄光，1/光变强，飞

2.29 2.63溅增多3000 4874561 2.4 2.711212绿光，后黄光变强，飞溅增多330053620232.712.71黄色亮光更13强有火花，飞溅增多350056869883.032.94910在对铝合金6061的焊接中，由表3,图9、10知，激光功率在1000W~2200V的七个焊接点时，熔深熔宽较小，外表仅有微小变化，在激光功率为 3.575X106W/cm~3.900X106W/c^时，熔深、熔宽有了大幅度提升〔〕，可见阈值范围在3.900X106W/crm四周，即阈值之前为热导焊、阈值之后为深熔焊。在激光功率为2200W~3500W功率密度为3.575X106W/cri2~5.687X106W/cm2YAG316L45#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〕的试验数据编号 功率密度

试验现象功率(W)

(W/cm)i

熔深(mm)

熔宽(mm)1 400141471.0605

黄色亮点

0.2

0.85714325002500176838.8257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0.6857140.910101300459780.9467亮点变亮0.8285710.9111400495148.7118亮点变亮1.8571431.357143121500530516.477亮点变亮1.9714291.42857111图12熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在试验过程中可以观看到：随着激光功率的增加，光线渐渐变亮，伴随烟尘，蓝光的产生，并且声音渐渐增大。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1300W~1400V功率密度为0.460X106W/crn~0.495X106W/cm〕之间时，焊缝的深度，宽度以及深宽比有大幅度提高，而在此之前的都比较小，因此我们推算功率的阈值约1300W~1400V中间值1350W左右，功率密度阈值约为0.478X106W/cnm6061固体Nd:YAG激光器焊接6061铝合金无试验数据，试验过程现象如表5所编号编号激光功率〔W试验现象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82023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，整个过程均没有消灭深熔焊，即均为热导焊,且随着激光功率的增加，熔深和熔宽应当会有小幅度的提升或变化。六、试验结论通过对四次试验数据的分析和比照，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。其中在到达某一特定功率密度时，焊缝的尺寸会大幅度增加，深宽比也显着增大，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、对波长吸取率等特性，不同类型的金属焊接的结果也有所不同。如在本次试验中，铝合金对激光的吸取率较之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取率下降，另一方面则由于铝合金比45#低碳钢更简洁产生等离子体屏蔽的现象。3、因受到光束质量的影响，CO激光器的聚焦光斑尺寸比YA〔激光器要小，COYAG光束质量测量方法一、试验目的1、了解测量光束质量的方法2、把握基于空心探针测量原理的PROMETE公司的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑质量检测仪的使用方法。二、试验原理承受基于空心探针测量原理的PROMETE公司的LASE