激光焊接成形試驗報告

1、激光焊接成形實驗報告激光焊接成形實驗報告一、實驗?zāi)康?1) 了解激光焊接熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種焊接模式的原理，特別要掌握激光深熔焊的原理。(2) 了解激光焊接工藝參數(shù)對焊接成形的影響規(guī)律，利用實驗方法獲得焦點位置，激光功率和焊接速度對激光焊接焊縫成形的硬性規(guī)律。(3) 測定焦點位置對激光焊接熔化效率的影響曲線。二、實驗內(nèi)容(4) 學(xué)習(xí)并掌握激光熔焊的原理，主要包括小孔的形成，等離子體的產(chǎn)生和對焊接過程的影響，以及激光深熔焊焊縫成形特征。(5) 利用光纖激光器焊接低碳鋼樣品，焊接后制備焊接橫斷面的金相試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察并記錄不同焊接工藝條件下焊縫成形的特點，測試焊縫容身和焊縫寬度隨焦點位置、激光

2、功率和焊接速度的變化規(guī)律。(6) 測量焊縫斷面面積，得到焦點位置對激光焊接熔化效率的影響。三、實驗原理激光焊接是一種利用高能量密度的激光束進行材料連接成形的方法。激光束經(jīng)聚焦后可達到極高的功率密度，比常規(guī)熱源的功率密度至少要高出兩個數(shù)量級，因此激光可以熔化甚至汽化任何材料，可進行局部區(qū)域的微細焊接；焊接過程輸入的線能量小，因此熱影響區(qū)和熱變形均很??；焊接速度高，可大大提高生產(chǎn)效率；光束易于傳輸，容易實現(xiàn)焊接自動化。激光焊接系統(tǒng)一般由激光器、光路傳輸和聚焦系統(tǒng)、工作臺組成。常用的大功率激光器主要有兩類，一種是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的激光器，稱CO2激光器，可以輸出10.6m波長的連續(xù)或脈沖激光

3、；另一種是以摻鉉鈕鋁石榴石晶體為工作物質(zhì)的固體激光器，簡稱Nd:YAG或YAG激光器，可以輸出1.06科m波長的連續(xù)或脈沖激光。激光焊接可以兩種模式進行，一種是基于小孔效應(yīng)的激光深熔焊，另外是基于熱傳導(dǎo)方式的激光熱導(dǎo)焊。激光深熔焊的原理如下：當功率密度高于5X105W/cm2的激光束照射在金屬材料表面時，材料產(chǎn)生蒸發(fā)并形成小孔。深熔焊過程產(chǎn)生的金屬蒸汽和保護氣體，在激光作用下發(fā)生電離，從而在小孔內(nèi)部和上方形成等離子體，這個充滿金屬蒸汽和等離子體的小孔就像一個黑體，入射激光進入小孔后經(jīng)小孔壁的多次反射吸收后可達到90姒上的激光能量被小孔吸收，小孔周圍的金屬就是被小孔臂傳遞的能量所熔化。隨著光束的

4、移動，小孔前壁的液態(tài)金屬材料被連續(xù)蒸發(fā)，小孔就以一種動態(tài)平衡的狀態(tài)向前移動，包圍小孔的熔融金屬沿小孔周圍向后流動，隨后冷卻并凝固形成焊縫。激光熱導(dǎo)焊則是在功率密度低于5X105W/cm2下，基于熱傳導(dǎo)的焊接方法。由于通常情況下金屬對激光的反射率較高，因此這種焊接方法獲得的焊縫熔深很小。在激光焊接中，激光功率、焊接速度和焦點位置是影響焊縫成形的主要參數(shù)，另外保護氣體種類和流量也對焊縫成形產(chǎn)生重要影響。焦點位置是指光束焦點距工件表面的相對距離，定義焦點在工件表面以下為正(稱入焦)，反之為負(稱離焦)。焊縫成形參數(shù)主要包括熔深和焊縫寬度，激光焊接時，在同樣的激光功率和焊接速度下，不同的焦點位置會影響

5、聚焦光斑大小，從而影響作用在工件表面的激光功率密度，其結(jié)果會形成不同深度的小孔甚至不能形成小孔效應(yīng)，產(chǎn)生不同熔深的焊縫。激光功率和焊接速度直接影響了輸入的線能量，會導(dǎo)致焊縫成形的變化。四、實驗步驟全體同學(xué)自行分為三組，分別通過改變焦點位置、激光功率和焊接速度研究各參數(shù)對焊縫成形的影響。具體實驗步驟如下：(1)準備低碳鋼試樣100mm<60mm<3mmif干塊，表面用砂紙打磨去銹，并用丙酮清洗干凈。在每塊試樣上劃出焊接位置。(2)焊前調(diào)節(jié)Ar氣流量，軸向氣體400L/h。(3)將工件裝卡好，啟動數(shù)控機床并調(diào)整焊接噴嘴位置，完成機床編程。(4)嚴格按照操作規(guī)程啟動激光器。(5)各組分別

6、通過改變焦點位置、激光功率和焊接速度，進行激光焊接，得到不同的焊縫，每組分別改變參數(shù)5次，保證焊接過程從熱導(dǎo)焊變化到深熔焊，總共15條焊縫。焊接過程中仔細觀察不同狀態(tài)下的焊接特點及等離子體的聲光特征。(6)焊后將試樣取出，記錄實驗時間和所用激光器機時，關(guān)閉激光器和數(shù)控機床，并清掃工作臺。(7)將試樣沿橫斷面剖開，并制備金相試樣，利用顯微鏡測量焊縫寬度和深度。(8)課后完成實驗報告并回答思考題。五、實驗數(shù)據(jù)及分析(光纖激光實驗)V=1.5m/minf=0P12345678功率/W3004005006007008009001000熔寬/mm0.70.90.91.21.21.31.21.2熔深/mm

7、0.71.11.41.91.82.32.52.5功率對焊縫成形的影響mW度寬和度深縫焊3T-熔深03004005006007008009001000激光功率/W(2)速度對于焊縫成形的影響P=1000W,f=0V12345678速度m/min0.511.523456熔寬/mm1.31.00.80.60.70.50.50.4熔深/mm2.52.42.52.52.32.11.91.8速度對焊縫成形的影響3525150NLSmW度寬和度深縫焊熔深T一熔寬234焊接速度/(m/min)P=1000W,v=1.5m/minF12345678焦點/mm-1-2-3-4-5-6-7-8熔寬/mm1.21.4

8、1.61.71.31.21.51.2熔深/mm2.52.52.42.32.01.71.31.3F12345678焦點/mm+1+2+3+4+5+6+7+8熔寬/mm0.81.11.41.41.11.21.31.3熔深/mm2.32.42.52.42.01.41.41.0焦點位置f對焊縫成形的影響一mW度寬和度深縫焊3525150NLST一熔深T一熔寬345焦點位置/mmmW度寬和度深縫焊T熔深T一熔寬數(shù)據(jù)分析(1)焊接速度以及焊接位置確定的激光束，焊縫熔寬以及熔深會隨著激光功率的增加呈增加的趨勢，當功率增大到一定程度，預(yù)測產(chǎn)品被焊透，熔寬也會有一個閾值;(2)功率和焊接位置確定的激光束，隨著激

9、光移動速度的增加，焊縫的熔深和熔寬均逐漸減小，當速度很慢時，材料被焊透切焊縫較寬，當速度較快時，材料焊不透且部分焊縫很窄；(3)焦點位置對焊縫的影響基本上呈對稱趨勢，其中在0焦點位置，焊縫的熔深達到最大，而熔寬則不然，在功率達到一定范圍時，熔寬隨著斑點直徑增大而增大，增大一定范圍時，外圍能量不足以使焊縫金屬熔化，熔寬減小。六、思考題(一)激光焊接的主要參數(shù)包括哪些，分別如何影響焊縫成形的。主要參數(shù)為焊接速度，激光的功率，焦點位置三個因素，對焊縫成形的影響如上所示。激光功率增大時，熔深增大。焊接速度增大時，熔深及熔寬均下降。當焦點位于工件較深部位時，形成V形焊縫；當焦點在工件以上較高距離(正離焦

10、量大)時，形成“釘頭”狀焊縫，且熔深減小；而當焦點位于工件表面以下1mm£右時，焊縫截面兩側(cè)接近平行。(二)激光焊接的主要特點是什么，相對于傳統(tǒng)釣焊接方法，存在何種優(yōu)勢？激光焊接又有哪些缺陷和不足？優(yōu)點：(1)激光束易于聚焦、對準及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。(2)可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。(3)不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形接可降至最低。(4)可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最低。

11、(5)不需真空，亦不需做X射線防護。(6)激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。(7)可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。(8)易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。(9)焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。(10)不受磁場所影響(電弧焊接及電子束焊接則容易)，能精確的對準焊件。(11)可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬。(12)工件可放置在封閉的空間(經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下)。(13)若以穿孔式焊接，焊道深一寬比可達10:1。(14)32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)業(yè)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時間甚至可省掉填料金屬的使用。缺點：(1)高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。(2)設(shè)備昂貴。(3)最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm勺工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。(4)焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。(5)當進行中能量至高能量的激光束焊接時，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再出現(xiàn)。(6)能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%