激光焊接課程設(shè)計(jì)

1、激光焊接機(jī)的工作原理激光焊接機(jī)是利用激光的特性，實(shí)現(xiàn)工件焊接的機(jī)器。激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。激光焊接的機(jī)理有兩種：（1）熱傳導(dǎo)焊接當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能而加熱熔化，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)的方式繼續(xù)向材料深處傳遞，最后將兩焊件熔接在一起。（2）激光深熔焊當(dāng)功率密度比較大的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽退出表面時(shí)產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿入更深，當(dāng)激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩焊件焊接在一起。2、激光焊接機(jī)的特點(diǎn)激光焊接機(jī)的自動(dòng)化程度高，焊接工藝流程簡(jiǎn)單。非接觸式的操作方法，能夠達(dá)到潔凈、環(huán)保的要求。采用激光焊接機(jī)加工工件能夠提高工作效率，成品工件外觀美觀，焊縫小，焊接深度大，焊接質(zhì)量高。激光焊接機(jī)廣泛應(yīng)用于牙科義齒的加工，鍵盤焊接，矽鋼片焊接，傳感器焊接，電池密封蓋的焊接等等方面。但激光焊接機(jī)的成本較高，對(duì)工件裝配的精度要求也較高，在這些方面仍有局限性。3、激光焊機(jī)的組成YAG激光焊接機(jī)由YAG激光器，光學(xué)觀察、聚焦系統(tǒng)，移動(dòng)工作臺(tái)及水循環(huán)冷卻系統(tǒng)等部件框架組成。（1）激光器固體激光采用光泵浦?；钚粤Ｗ游樟斯饽?，在工作物質(zhì)里造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成受激輻射光。激光器由工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)諧振腔、冷卻液、濾光管等構(gòu)成。原型機(jī)激光類型為單燈棒重復(fù)脈沖焊接激光，激光波長(zhǎng)1.064um，工作物質(zhì)是四能級(jí)的滲雜Nd3+離子的釔鋁石榴石晶體棒Y3A15O12。泵浦源是3KW氙閃光燈。聚光腔內(nèi)表面拋光鍍金，并有夾層冷卻通道。外套氙燈的濾除紫外線管保護(hù)了晶體棒。諧振腔內(nèi)受激光經(jīng)過99%以上的全反鏡振蕩放大，由半反鏡輸出。內(nèi)部描述如圖1：（2）光路系統(tǒng)單脈沖氙燈激勵(lì)側(cè)面泵浦腔，光束經(jīng)晶棒增透膜兩端一定路程反折放大，透射光經(jīng)45°折反后垂直入射到可以Z軸伸縮的防護(hù)套筒，套筒內(nèi)有一套孔徑光闌透鏡組調(diào)節(jié)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。光路結(jié)構(gòu)如圖2所示：ifejr轉(zhuǎn)兀叫l(wèi)l^iaXe G庖akkasiflifejr轉(zhuǎn)兀叫l(wèi)l^iaXe G庖akkasifl嶺光軸7[-j-沾備Xa-i-liftfrEl'liifk-KH半反射權(quán) 烏樂漏轆ft半反射權(quán) 烏樂漏轆ft全反射橫橙準(zhǔn)比圖i激光焊接機(jī)部件構(gòu)造匸柞物歳聚光腔圖i激光焊接機(jī)部件構(gòu)造匸柞物歳聚光腔濾紫管脈沖駅燈觸發(fā)電路i儲(chǔ)能電容—j髙壓充電電路!?圖2激光焊接機(jī)光路系統(tǒng)構(gòu)造（3）循環(huán)冷卻系統(tǒng)閉合回路流水冷卻系統(tǒng)包括水泵、熱交換器、水容器、過濾器、水軟化器、流量壓力溫度傳感器等構(gòu)成，主要用以消除聚光腔中產(chǎn)生的熱量和減少泵浦的內(nèi)反射。熱交換器采用了120°C,0.66mm2的四門板式換熱器。另外，機(jī)器內(nèi)穩(wěn)流50A所用的710mH電抗器由0.22A風(fēng)機(jī)來散熱。（4）電力電源系統(tǒng)

主電路包括充電電路、蓄能網(wǎng)絡(luò)、放電電路、觸發(fā)及預(yù)燃電路、操控板。晶閘管SKM500GA完成三相整流，用面板上的升壓旋鈕調(diào)節(jié)氙燈直流工作電壓至400±5%伏。移相模塊線路板除了能產(chǎn)生多路電壓源以外，板上的MC14538觸發(fā)器控制分頻與脈寬值，其參數(shù)由手動(dòng)調(diào)節(jié)RC電路或者程控調(diào)整的PLC方波確定。信號(hào)觸發(fā)NE555又經(jīng)選通開關(guān)驅(qū)動(dòng)IGBT晶閘管的B端。圖3所示為IGBT移相控制：表1激光焊機(jī)性能指標(biāo)OW-a2mm2寬脈IT柞厶'rl程位度mm2o度精-軸轉(zhuǎn)電力需求38W/三柑/50HZ/22A|網(wǎng)機(jī)功率厲麗圖3IGBT移相控制起燃電路須通過短暫的高頻高壓脈沖擊穿燈內(nèi)氣體形成火花放電通道，而后保持氙燈預(yù)燃狀態(tài)宜用小電流200mA和約2KV高壓。腔內(nèi)氣體經(jīng)觸發(fā)電離，預(yù)燃電路維持輝光放電。當(dāng)放電IGBT開關(guān)截止，燈管與蓄能電網(wǎng)隔離，電解電容10mF/450V并聯(lián)成組充電；放電IGBT開關(guān)導(dǎo)通，蓄能電網(wǎng)才向燈管放電。二、DC04薄鋼板的脈沖激光焊接工藝1、試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)所用材料為馬鋼生產(chǎn)的DC04冷軋連續(xù)退火鋼板，厚度1.Omm.首先在HGA20/4型液壓剪板機(jī)上將試板裁剪成為200mmX150mmX1.0mm的平板試樣。為了減少焊接缺陷，去除表面剪切層油污，先采用砂紙打磨對(duì)焊接頭端面，然后分組編號(hào)，再用丙酮清洗，洗干凈后吹干備用。焊接設(shè)備是德國(guó)ROFIN激光技術(shù)有限公司制造的SW-500型脈沖Nd:YAG激光器。其中焊接控制系統(tǒng)采用CNC2000數(shù)控軟件進(jìn)行焊接編程控制，焊接工作臺(tái)采用計(jì)算機(jī)控制，步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)x、y、z三軸聯(lián)動(dòng)。激光器的主要技術(shù)參數(shù)：焊接電壓250?360V,脈沖寬度1?20ms,脈沖頻率1?500Hz,然而由于該激光器的最大平均輸出功率為500W,因此并不是這些參數(shù)的任意組合均可以使用。焊接時(shí)采用純氬氣進(jìn)行保護(hù)，氣體流量15?20L/min。試驗(yàn)過程中始終保持離焦量Af=0。2試驗(yàn)結(jié)果（1）最佳焊接工藝參數(shù)的確定在平板上進(jìn)行九組激光單道掃描焊接試驗(yàn),試驗(yàn)編號(hào)在表2中列出。對(duì)激光掃描得到的焊縫表面形貌觀察發(fā)現(xiàn),經(jīng)過不同工藝脈沖激光焊接后,整條焊縫均由一個(gè)個(gè)脈沖焊點(diǎn)重疊而成,呈魚鱗狀,但是由于焊接工藝參數(shù)的組合不同,其表面成形表現(xiàn)出很大的不同。圖4為正交試驗(yàn)的兩組單道激光掃描焊接典型焊縫表面形貌的比較。依據(jù)ISO-5817焊縫外觀評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)九組試驗(yàn)結(jié)果的焊縫表面成形性特征的好壞進(jìn)行定量表征評(píng)定。經(jīng)觀察比較分析,其中第7組焊接工藝試驗(yàn)時(shí)由于焊接飛濺比較嚴(yán)重，使得焊點(diǎn)之間重疊情況較差，且焊縫的正反兩面均出現(xiàn)許多大小不同的缺肉凹坑，如圖4（1）所示，因此其焊縫表面成形性總體效果為最差，用數(shù)值60來表征；而第6組焊接工藝試驗(yàn)時(shí)由于焊接飛濺較少，焊縫正反兩面不但焊點(diǎn)重疊均勻，且沒有出現(xiàn)缺肉凹坑現(xiàn)象，如圖4（2）所示，其焊縫表面成形性總體效果為最好，用數(shù)值100來表征。其他各組試驗(yàn)后焊縫成形性評(píng)定的表征數(shù)值則介于60?100，具體表征數(shù)值如表3所示。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)編號(hào)和指標(biāo)焊接電壓U/V脈沖頻率f/Hz脈沖寬度t/ms焊接速度v/mm?min-1焊縫表面形貌表征數(shù)值1250101022565225015122758532502014325954260101232570526015142258062602010275100727010142756082701510325659270201222570圖4（1）最差焊縫表面形貌圖4（2）最好焊縫表面形貌三、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥脈沖激光焊接實(shí)驗(yàn)排氣閥是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一。它在高溫下高速運(yùn)行并在各種不同的應(yīng)力狀態(tài)下工作,閥盤錐面四周被包圍在高速、高溫、有化學(xué)侵蝕性的氣體中,當(dāng)氣閥落在閥座上時(shí)又受到?jīng)_擊載荷的作用;閥桿實(shí)際上是在沒有潤(rùn)滑的條件下和導(dǎo)管摩擦進(jìn)行工作的,因而受到磨損,它還受到彈簧和氣閥慣性力的拉伸和壓縮,桿端又受到從驅(qū)動(dòng)到從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面?zhèn)鱽淼臎_擊載荷和磨損。所以對(duì)排氣閥材料的性能要求十分苛刻。要求排氣閥用鋼須具備足夠的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、疲勞極限、沖擊吸收功、耐磨性和一定的硬度、良好的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性,并具有較高的熱傳導(dǎo)率和較低的膨脹系數(shù)及良好的工藝性能,內(nèi)部組織不得有缺陷、表面不得有裂紋,同時(shí)還得考慮氣閥材料的制造成本。排氣閥有整體閥和焊接閥兩種,整體閥材料一般用奧氏體耐熱鋼5Cr2Mn9Ni4N（簡(jiǎn)稱21-4N），整體閥錐面采用等離子堆焊，桿端用氧-乙炔焰堆焊硬質(zhì)合金；有的廠家為了降低成本,盡量節(jié)約奧氏體耐熱鋼使用,排氣閥的制造轉(zhuǎn)而采用焊接工藝，具體地說，就是桿部材料采用經(jīng)熱處理后的非奧氏體不銹鋼4Cr9Si2，頭部還是采用奧氏體耐熱鋼5Cr2Mn9Ni4N，但其閥面堆焊鈷基或鎳基合金，然后與桿部對(duì)焊后再經(jīng)去應(yīng)力退火，加工后再把尾部進(jìn)行高頻淬火。使用傳統(tǒng)的焊接工藝，存在工藝穩(wěn)定性差、焊縫質(zhì)量不高、需要焊材填充等缺點(diǎn)，并且由于有焊接殘余應(yīng)力，焊好的排氣閥還需噴丸矯直再經(jīng)去應(yīng)力退火，焊后后續(xù)工藝復(fù)雜；而激光焊接技術(shù)以其具有高能量密度，焊接速度快，焊縫深寬比大，熱影響區(qū)窄、變形小，無污染和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)勢(shì)，正日益受到加工制造業(yè)的關(guān)注，已經(jīng)在國(guó)防工業(yè)、航空航天、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。激光焊接技術(shù)的迅速發(fā)展為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥的焊接提供了新的手段。本研究主要致力于低功率脈沖激光焊接工藝參數(shù)的合理搭配和選擇，以及對(duì)焊縫機(jī)械性能的影響。（1）試驗(yàn)材料、設(shè)備與試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)所用材料為非奧氏體不銹鋼4Cr9Si2和奧氏體耐熱鋼5Cr2Mn9Ni4N。試驗(yàn)設(shè)備焊接設(shè)備采用武漢華中科技公司生產(chǎn)的LWY300P型YAG脈沖固體激光器，激光波長(zhǎng)1064nm,最大輸出平均功率300W,最大脈沖峰值功率12KW,激光脈沖寬度0.1?20ms連續(xù)可調(diào)，脈沖重復(fù)頻率0?150Hz連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)方法首先將待焊材料分組編號(hào)后,打磨拋光,用丙酮清洗干凈后吹干,清洗后的樣品放在專做的工作臺(tái)上。鑒于激光光斑直徑小和焊接過程通常是自動(dòng)化的,一般不需要填充材料,為達(dá)到緊密裝配,特將流通管外徑與散熱板孔內(nèi)徑加工裝配成具有一定的過盈量,將裝配好的待焊件精確定位在特制的升降工作臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)中,

選用氬氣作為保護(hù)氣體,保護(hù)氣體的作用就是保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體溶滴的濺射以及有效地驅(qū)散激光焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子屏蔽從而提高焊接件對(duì)激光能量的吸收。另外,激光焊接常需要一定的離焦量,按照幾何光學(xué)理論,當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí),所對(duì)應(yīng)的平面上功率密度近似相同,但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí),材料內(nèi)部功率密度比表面還高,易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞，可獲得更大的熔深。所以本實(shí)驗(yàn)采用0.5mm的負(fù)離焦量。（2）焊接工藝參數(shù)選擇光斑直徑是激光焊接的重要參數(shù)之一，因?yàn)樗鼪Q定激光功率密度和焊縫寬窄。本實(shí)驗(yàn)中，激光平均功率較低，最大輸出功率僅為300W,因此，光斑直徑使用最小值。焊縫強(qiáng)度隨焊深和焊寬的增大而增強(qiáng)，焊深和焊寬卻隨單脈沖能量、脈沖峰值功率、光斑直徑、脈寬和焊速的變化而變化。因此，在脈沖激光焊接中，光斑直徑、單脈沖能量、脈沖峰值功率、脈寬和焊速都是非常重要的參數(shù)。筆者在本實(shí)驗(yàn)中首次嘗試通過脈沖激光器的有關(guān)理論來優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。對(duì)于YAG固體脈沖激光器來說，其平均輸出功率Pav是由使激光器中的活性介質(zhì)產(chǎn)生能級(jí)躍遷所需要的工作電流大小決定的，這個(gè)平均功率Pav與單脈沖能量Ep、脈沖頻率f、周期T、寬沖脈度w和單脈沖峰值功率P有如下關(guān)系：PE二PXW二PXT=r （1）pavf在公式（1）中，平均功率Pav、單脈沖能量Ep和峰值功率P這三個(gè)參數(shù)的最大值由使用的具體激光器結(jié)構(gòu)而定。本實(shí)驗(yàn)所用的激光器以上三個(gè)技術(shù)參數(shù)分別為300W、70J和12KW,其脈沖峰值功率是平均輸出功率的40倍，脈沖激光焊接過程的可調(diào)節(jié)參數(shù)較多，因此，焊接過程的控制也較連續(xù)激光復(fù)雜。激光焊接機(jī)的操作面板上有三個(gè)可調(diào)參數(shù)，即電流、脈寬和頻率。通過將電流調(diào)至最大，即可獲得最大平均輸出功率。由公式（1）可知，單脈沖能量、峰值功率，隨脈寬、頻率的改變而改變，這樣和通過調(diào)整脈寬、頻率，即可獲得最大焊深和焊寬所需的單脈沖能量和脈沖峰值功率。在平均輸出功率不變的情況下，單脈沖能量隨頻率的減小而增大，受本機(jī)最大單脈沖能量＜70J限制，存在一個(gè)最小頻率，這個(gè)頻率就是：minPmaxmin―av Emaxav為得到盡可能大的單脈沖能量，將頻率圓整，實(shí)驗(yàn)中采用5Hz的脈頻，這樣，所產(chǎn)生的單脈沖能量為：PmaxE： —avpfmin在單脈沖能量保持不變的情況下，脈沖峰值功率隨脈寬的減小而增大，但過高的峰值功率會(huì)導(dǎo)致焊接飛濺，甚至咬邊或氣孔，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)對(duì)峰值功率多次調(diào)整，發(fā)現(xiàn)其不出現(xiàn)焊接飛濺所允許的最大峰值功率約為10KW,這樣所需的脈寬就近似為：—6msE60—6msw—―P—P10000為探討在平均輸出功率、焊速、單脈沖能量都不變的情況下,脈寬和峰值功率二者對(duì)焊深和焊寬的影響，脈寬分別取6ms、7ms、8ms;對(duì)應(yīng)的峰值功率分別為10KW、8.57KW、7.5KW。不同的工藝參數(shù)組合如表3所示。表3激光焊接工藝參數(shù)匹配表Frequency/HzWidth/msPeakpower/KWEnergy/J561060578.5760587.560鑒于中冷器對(duì)其實(shí)中的流通管與散熱片之間焊縫的強(qiáng)度和密封性能有較高要求，因此，脈沖頻率、平均焊點(diǎn)直徑和焊速必須相互匹配，才能達(dá)到所需的重疊度。本實(shí)驗(yàn)采用前后光斑的重疊度為一個(gè)光斑半徑尺寸r,