激光焊接课程设计

1、激光焊接机的工作原理激光焊接机是利用激光的特性，实现工件焊接的机器。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。（2）激光深熔焊当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在一起。2、激光焊接机的特点激光焊接机的自动化程度高，焊接工艺流程简单。非接触式的操作方法，能够达到洁净、环保的要求。采用激光焊接机加工工件能够提高工作效率，成品工件外观美观，焊缝小，焊接深度大，焊接质量高。激光焊接机广泛应用于牙科义齿的加工，键盘焊接，矽钢片焊接，传感器焊接，电池密封盖的焊接等等方面。但激光焊接机的成本较高，对工件装配的精度要求也较高，在这些方面仍有局限性。3、激光焊机的组成YAG激光焊接机由YAG激光器，光学观察、聚焦系统，移动工作台及水循环冷却系统等部件框架组成。（1）激光器固体激光采用光泵浦。活性粒子吸收了光能，在工作物质里造成粒子数反转，形成受激辐射光。激光器由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、冷却液、滤光管等构成。原型机激光类型为单灯棒重复脉冲焊接激光，激光波长1.064um，工作物质是四能级的渗杂Nd3+离子的钇铝石榴石晶体棒Y3A15O12。泵浦源是3KW氙闪光灯。聚光腔内表面抛光镀金，并有夹层冷却通道。外套氙灯的滤除紫外线管保护了晶体棒。谐振腔内受激光经过99%以上的全反镜振荡放大，由半反镜输出。内部描述如图1：（2）光路系统单脉冲氙灯激励侧面泵浦腔，光束经晶棒增透膜两端一定路程反折放大，透射光经45°折反后垂直入射到可以Z轴伸缩的防护套筒，套筒内有一套孔径光阑透镜组调节出光窗口的聚焦光斑，最后才照到待焊接的精密零工件表面。光路结构如图2所示：ifejr轉兀叫ll^iaXe G庖akkasiflifejr轉兀叫ll^iaXe G庖akkasifl岭光轴7[-j-沾備Xa-i-liftfrEl'liifk-KH半反射權 烏乐漏辘ft半反射權 烏乐漏辘ft全反射横橙准比图i激光焊接机部件构造匸柞物歳聚光腔图i激光焊接机部件构造匸柞物歳聚光腔滤紫管脉冲駅灯触发电路i储能电容—j髙压充电电路!•图2激光焊接机光路系统构造（3）循环冷却系统闭合回路流水冷却系统包括水泵、热交换器、水容器、过滤器、水软化器、流量压力温度传感器等构成，主要用以消除聚光腔中产生的热量和减少泵浦的内反射。热交换器采用了120°C,0.66mm2的四门板式换热器。另外，机器内稳流50A所用的710mH电抗器由0.22A风机来散热。（4）电力电源系统

主电路包括充电电路、蓄能网络、放电电路、触发及预燃电路、操控板。晶闸管SKM500GA完成三相整流，用面板上的升压旋钮调节氙灯直流工作电压至400±5%伏。移相模块线路板除了能产生多路电压源以外，板上的MC14538触发器控制分频与脉宽值，其参数由手动调节RC电路或者程控调整的PLC方波确定。信号触发NE555又经选通开关驱动IGBT晶闸管的B端。图3所示为IGBT移相控制：表1激光焊机性能指标OW-a2mm2宽脉IT柞厶'rl程位度mm2o度精-轴转电力需求38W/三柑/50HZ/22A|網机功率厉丽图3IGBT移相控制起燃电路须通过短暂的高频高压脉冲击穿灯内气体形成火花放电通道，而后保持氙灯预燃状态宜用小电流200mA和约2KV高压。腔内气体经触发电离，预燃电路维持辉光放电。当放电IGBT开关截止，灯管与蓄能电网隔离，电解电容10mF/450V并联成组充电；放电IGBT开关导通，蓄能电网才向灯管放电。二、DC04薄钢板的脉冲激光焊接工艺1、试验材料与方法试验所用材料为马钢生产的DC04冷轧连续退火钢板，厚度1.Omm.首先在HGA20/4型液压剪板机上将试板裁剪成为200mmX150mmX1.0mm的平板试样。为了减少焊接缺陷，去除表面剪切层油污，先采用砂纸打磨对焊接头端面，然后分组编号，再用丙酮清洗，洗干净后吹干备用。焊接设备是德国ROFIN激光技术有限公司制造的SW-500型脉冲Nd:YAG激光器。其中焊接控制系统采用CNC2000数控软件进行焊接编程控制，焊接工作台采用计算机控制，步进机驱动，可以实现x、y、z三轴联动。激光器的主要技术参数：焊接电压250〜360V,脉冲宽度1〜20ms,脉冲频率1〜500Hz,然而由于该激光器的最大平均输出功率为500W,因此并不是这些参数的任意组合均可以使用。焊接时采用纯氩气进行保护，气体流量15〜20L/min。试验过程中始终保持离焦量Af=0。2试验结果（1）最佳焊接工艺参数的确定在平板上进行九组激光单道扫描焊接试验,试验编号在表2中列出。对激光扫描得到的焊缝表面形貌观察发现,经过不同工艺脉冲激光焊接后,整条焊缝均由一个个脉冲焊点重叠而成,呈鱼鳞状,但是由于焊接工艺参数的组合不同,其表面成形表现出很大的不同。图4为正交试验的两组单道激光扫描焊接典型焊缝表面形貌的比较。依据ISO-5817焊缝外观评定标准，分别对九组试验结果的焊缝表面成形性特征的好坏进行定量表征评定。经观察比较分析,其中第7组焊接工艺试验时由于焊接飞溅比较严重，使得焊点之间重叠情况较差，且焊缝的正反两面均出现许多大小不同的缺肉凹坑，如图4（1）所示，因此其焊缝表面成形性总体效果为最差，用数值60来表征；而第6组焊接工艺试验时由于焊接飞溅较少，焊缝正反两面不但焊点重叠均匀，且没有出现缺肉凹坑现象，如图4（2）所示，其焊缝表面成形性总体效果为最好，用数值100来表征。其他各组试验后焊缝成形性评定的表征数值则介于60〜100，具体表征数值如表3所示。表2实验结果与分析试验编号和指标焊接电压U/V脉冲频率f/Hz脉冲宽度t/ms焊接速度v/mm•min-1焊缝表面形貌表征数值1250101022565225015122758532502014325954260101232570526015142258062602010275100727010142756082701510325659270201222570图4（1）最差焊缝表面形貌图4（2）最好焊缝表面形貌三、汽车发动机排气阀脉冲激光焊接实验排气阀是发动机的重要零件之一。它在高温下高速运行并在各种不同的应力状态下工作,阀盘锥面四周被包围在高速、高温、有化学侵蚀性的气体中,当气阀落在阀座上时又受到冲击载荷的作用;阀杆实际上是在没有润滑的条件下和导管摩擦进行工作的,因而受到磨损,它还受到弹簧和气阀惯性力的拉伸和压缩,杆端又受到从驱动到从驱动机构方面传来的冲击载荷和磨损。所以对排气阀材料的性能要求十分苛刻。要求排气阀用钢须具备足够的室温强度、高温强度、疲劳极限、冲击吸收功、耐磨性和一定的硬度、良好的抗氧化性和抗燃气腐蚀性,并具有较高的热传导率和较低的膨胀系数及良好的工艺性能,内部组织不得有缺陷、表面不得有裂纹,同时还得考虑气阀材料的制造成本。排气阀有整体阀和焊接阀两种,整体阀材料一般用奥氏体耐热钢5Cr2Mn9Ni4N（简称21-4N），整体阀锥面采用等离子堆焊，杆端用氧-乙炔焰堆焊硬质合金；有的厂家为了降低成本,尽量节约奥氏体耐热钢使用,排气阀的制造转而采用焊接工艺，具体地说，就是杆部材料采用经热处理后的非奥氏体不锈钢4Cr9Si2，头部还是采用奥氏体耐热钢5Cr2Mn9Ni4N，但其阀面堆焊钴基或镍基合金，然后与杆部对焊后再经去应力退火，加工后再把尾部进行高频淬火。使用传统的焊接工艺，存在工艺稳定性差、焊缝质量不高、需要焊材填充等缺点，并且由于有焊接残余应力，焊好的排气阀还需喷丸矫直再经去应力退火，焊后后续工艺复杂；而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，正日益受到加工制造业的关注，已经在国防工业、航空航天、汽车制造等工业领域成功应用。激光焊接技术的迅速发展为发动机排气阀的焊接提供了新的手段。本研究主要致力于低功率脉冲激光焊接工艺参数的合理搭配和选择，以及对焊缝机械性能的影响。（1）试验材料、设备与试验方法试验材料实验所用材料为非奥氏体不锈钢4Cr9Si2和奥氏体耐热钢5Cr2Mn9Ni4N。试验设备焊接设备采用武汉华中科技公司生产的LWY300P型YAG脉冲固体激光器，激光波长1064nm,最大输出平均功率300W,最大脉冲峰值功率12KW,激光脉冲宽度0.1〜20ms连续可调，脉冲重复频率0〜150Hz连续可调。试验方法首先将待焊材料分组编号后,打磨抛光,用丙酮清洗干净后吹干,清洗后的样品放在专做的工作台上。鉴于激光光斑直径小和焊接过程通常是自动化的,一般不需要填充材料,为达到紧密装配,特将流通管外径与散热板孔内径加工装配成具有一定的过盈量,将装配好的待焊件精确定位在特制的升降工作台上。实验中,

选用氩气作为保护气体,保护气体的作用就是保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体溶滴的溅射以及有效地驱散激光焊接时产生的等离子屏蔽从而提高焊接件对激光能量的吸收。另外,激光焊接常需要一定的离焦量,按照几何光学理论,当正负离焦量相等时,所对应的平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，可获得更大的熔深。所以本实验采用0.5mm的负离焦量。（2）焊接工艺参数选择光斑直径是激光焊接的重要参数之一，因为它决定激光功率密度和焊缝宽窄。本实验中，激光平均功率较低，最大输出功率仅为300W,因此，光斑直径使用最小值。焊缝强度随焊深和焊宽的增大而增强，焊深和焊宽却随单脉冲能量、脉冲峰值功率、光斑直径、脉宽和焊速的变化而变化。因此，在脉冲激光焊接中，光斑直径、单脉冲能量、脉冲峰值功率、脉宽和焊速都是非常重要的参数。笔者在本实验中首次尝试通过脉冲激光器的有关理论来优化焊接工艺参数。对于YAG固体脉冲激光器来说，其平均输出功率Pav是由使激光器中的活性介质产生能级跃迁所需要的工作电流大小决定的，这个平均功率Pav与单脉冲能量Ep、脉冲频率f、周期T、宽冲脉度w和单脉冲峰值功率P有如下关系：PE二PXW二PXT=r （1）pavf在公式（1）中，平均功率Pav、单脉冲能量Ep和峰值功率P这三个参数的最大值由使用的具体激光器结构而定。本实验所用的激光器以上三个技术参数分别为300W、70J和12KW,其脉冲峰值功率是平均输出功率的40倍，脉冲激光焊接过程的可调节参数较多，因此，焊接过程的控制也较连续激光复杂。激光焊接机的操作面板上有三个可调参数，即电流、脉宽和频率。通过将电流调至最大，即可获得最大平均输出功率。由公式（1）可知，单脉冲能量、峰值功率，随脉宽、频率的改变而改变，这样和通过调整脉宽、频率，即可获得最大焊深和焊宽所需的单脉冲能量和脉冲峰值功率。在平均输出功率不变的情况下，单脉冲能量随频率的减小而增大，受本机最大单脉冲能量＜70J限制，存在一个最小频率，这个频率就是：minPmaxmin―av Emaxav为得到尽可能大的单脉冲能量，将频率圆整，实验中采用5Hz的脉频，这样，所产生的单脉冲能量为：PmaxE： —avpfmin在单脉冲能量保持不变的情况下，脉冲峰值功率随脉宽的减小而增大，但过高的峰值功率会导致焊接飞溅，甚至咬边或气孔，实验中经对峰值功率多次调整，发现其不出现焊接飞溅所允许的最大峰值功率约为10KW,这样所需的脉宽就近似为：—6msE60—6msw—―P—P10000为探讨在平均输出功率、焊速、单脉冲能量都不变的情况下,脉宽和峰值功率二者对焊深和焊宽的影响，脉宽分别取6ms、7ms、8ms;对应的峰值功率分别为10KW、8.57KW、7.5KW。不同的工艺参数组合如表3所示。表3激光焊接工艺参数匹配表Frequency/HzWidth/msPeakpower/KWEnergy/J561060578.5760587.560鉴于中冷器对其实中的流通管与散热片之间焊缝的强度和密封性能有较高要求，因此，脉冲频率、平均焊点直径和焊速必须相互匹配，才能达到所需的重叠度。本实验采用前后光斑的重叠度为一个光斑半径尺寸r,