1、激光焊接實驗報告激光焊接實驗報告激光焊接實驗報告激光焊接實驗報告一、實驗目的1、理解激光焊接的基本源理及特色，熟習運用激光進行金屬焊接的詳細過程。2、察看CO2與YAG兩種激光器的焊接過程，理解其焊接方式的條件及形成機理。3、掌握激光焊接機床及機械手的基本操作步驟和方法，能夠進行簡單的焊接操作。4、掌握金相丈量方法，察看和記錄焊接實驗現象，丈量熔深、熔寬，并對焊接結果進行合理分析。5、認識激光焊接的應用。二、實驗原理2.1激光焊接原理激光焊接采納連續或脈沖激光束實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104105W/cm2為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接速度慢；功率密度5

2、1072大于10W/cm時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，擁有焊接速度快、深寬比大的特色。圖1是CO2激光器焊接構造圖。圖1CO2激光器焊接構造圖在焊接金屬的過程中，跟著激光功率密度提高，資料表面會發生一系列變化，其包含表面溫度高升、融化、氣化、形成小孔并出現光致等離子體。不同樣功率密度激光焊接金屬資料時的主要過程如圖2所示。當激光功率密度小于4210W/cm數目級時，金屬汲取激光能量只惹起資料表層溫度的高升，并無發生融化。當功率密度在大于426210W/cm小于10W/cm數量級范圍內時，金屬料表層發生融化。功率密度達到6210W/cm數目級時，資料表面在激光束的作用下發生氣化

3、，在氣化反沖壓力的作用下，液態熔池向下凹陷形成深熔小孔。同時，陪伴有金屬蒸汽電離形成光致等離子體的現象。當功率密度大于7210W/cm時，光致等離子體將逆著激光束的入射方向傳輸，形成等離子體云團，出現等離子體對激光的障蔽現象。圖2不同樣功率密度激光輻照金屬資料的主要物理過程2.2激光焊接模式依據能否產生小孔效應能夠把激光焊接分為兩種模式，即熱導焊模式和深熔焊模式。、激光熱傳導焊接激光加熱加工表面，表面熱量經過熱傳導向內部擴散，經過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻次等激光參數，使工件融化，形成特定的熔池，如圖3（a）所示。當焊接熔池在金屬蒸汽反沖壓力作用下向下凹陷形成深熔小孔后，資料對

4、激光的汲取將發生突變。資料的汲取率將不再僅與激光波長、金屬特色和資料表面狀態有關，而主要取決小孔效應和等離子體與激光的互相作用等要素，此時焊接模式由熱導焊接轉變成深熔焊接。、激光深熔焊接激光深熔焊接一般采納連續激光光束達成資料連結，其冶金物理過程與電子束焊接極為相像，即能量變換系統是經過“小孔”構造來達成的。在足夠高的功率密度激光照耀下，資料產生蒸發并形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔仿佛一個黑體，幾乎汲取全部的入射光束能量，孔腔內均衡溫度達2500C左右，熱量從這個高溫孔腔外壁傳達出來，使包圍著這個孔腔四周的金屬融化。小孔內充滿在光束照耀下壁體資料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液

5、態金屬四周包圍著固體資料（而在大部分常例焊接過程和激光傳導焊接中，能量第一積聚于工件表面，此后靠傳達輸送到內部）。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力對持并保持著動向均衡。光束不停進入小孔，小孔外的資料在連續流動，跟著光束挪動，小孔素來處于流動的堅固狀態。也就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬跟著前導光束行進速度向前挪動，熔融金屬填補著小孔移開后留下的縫隙并隨之冷凝，焊縫于是形成，如圖3（b）所示。上述過程的全部這全部發生得這樣快，使焊接速度很簡單達到每分鐘數米。a激光熱導焊表示圖b激光深熔焊表示圖圖3激光焊接原理圖2.3激光束自聚焦過程激光束作用金屬資料表面時，在低功率密度狀況

6、下，金屬資料對激光的汲取僅發生在表面很薄地區內，使表面溫度高升。當激光功率達到資料蒸發所需的臨界功率密度時，金屬表面開始發生蒸發。跟著激光功率密度的高升，蒸發產生的壓力增大，熔池的下陷深度增添，同時，熔池表面的曲率半徑將減小，如圖4所示。因為熔池表面下陷，形成凹坑，致使激光束輻照在熔池上的入射角發生改變，凹陷的熔池使入射激光經反射后匯聚于熔池底部，更高的功率密度促進熔池底部金屬蒸發加劇，產生的反沖壓力高升，促進熔池進一步下陷。當資料的蒸發壓力達到某一臨界值時，蒸汽產生的反沖壓力使下陷的熔池猛然形成小孔，焊接深度跳躍式增添，資料對激光的汲取率將急劇增添，形成激光深熔焊接。圖4激光束自聚焦表示圖2

7、.4激光焊接的工藝參數激光焊的主要工藝參數包含脈沖能量、脈沖寬度（脈寬）、脈沖形狀、功率密度以及離焦量或焦點地點等。功率密度關于不同樣的激光焊接，存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超出此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超出閾值，等離子體才會產生，這標記住堅固深熔焊的進行。假如激光功率低于此閾值，工件僅發生表面融化，也即焊接以堅固熱傳導型進行。而當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件周邊時，深熔焊和傳導焊交替進行，成為不堅固焊接過程，導致熔深顛簸很大。在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在4621010W/cm，在激光深熔焊接的功率密度在81021010W/cm

8、。激光脈沖波形當高強度激光束射至資料表面，金屬表面將會有6098%的激光能量反射而損失去，且反射率隨表面溫度變化，在一個激光脈沖作用時期內，金屬反射率的變化很大。激光脈沖寬度脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是差異于資料去除和資料融化的重要參數，也是決定加工設施造價及體積的重點參數。離焦量激光焊接平常需要必然的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，簡單蒸發成孔。走開激光焦點的各平面上，功率密度散布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。在實質應用中，當要求熔深較大時，采納負離焦；焊接薄資料時，宜用正離焦。如圖5所示。圖5激光束的離焦量定義資料汲取值資料對激光的汲取取決于資料的一些

9、重要性能，如汲取率、反射率、熱導率、融化溫度、蒸發溫度等，此中最重要的是汲取率。影響資料對激光光束的汲取率的要素包含兩個方面：第一是資料的電阻系數，經過對資料拋光表面的汲取率丈量發現，資料汲取率與電阻系數的平方根成正比，而電阻系數又隨溫度而變化；其次，資料的表面狀態（或許光潔度）對光束汲取率有較重要影響，從而對焊接見效產生顯然作用。波長對汲取率的影響金屬的汲取率A與激光波長和金屬的直流電阻率存在以下關系：A0.365。從圖6中得：固體金屬表面對激光的反射性較強，這是因為金屬對激光的汲取主假如經過大批自由電子的帶間躍遷實現的，自由電子受光波中激烈的電磁波的影響逼迫振動而產生次波，次波又造成激烈的

10、反射波和比較弱的透射波。所以，金屬的電導率越高，其反射率也越高。圖6室溫下不同樣金屬對不同樣波長激光的汲取率溫度對汲取率的影響跟著溫度高升，在激光作用下金屬的汲取率與溫度的關系可由下邊的公式描繪：A(T)=A0+r(T-T0)，從理論上，資料對激光的汲取率隨溫度的高升而增大，金屬資料在室溫下的汲取率都比較小，當金屬溫度達到熔點產生熔融平易化后，汲取率上漲到4050%；當湊近沸點時汲取率可高達90%，激光功率越大、作用時間越長，金屬的汲取率越高。表面粗拙度對汲取率的影響資料的表面狀況如：粗拙度、氧化層和缺點等對激光的反射率影響很大。所以增大資料表面粗拙度能夠提高資料對激光的汲取率。當粗化表面微觀

11、不平度達到波長量級左右時，資料對激光的汲取率變化較大。但跟著溫度的高升，這類現象將減少，甚至為零。焊接速度焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會致使資料過分融化、工件焊穿。所以，對必然激光功率和必然厚度的某特定資料有一個適合的焊接速度范圍，并在此中相應速度值時可獲取最大熔深。保護氣體保護氣體的作用：、激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，當某些資料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護，但對大部分應用途合則常使用氦、氬、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。、保護聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時，因為其噴出物變得特別有力，此時保護透鏡

12、則更加必需。、遣散高功率激光焊接產生的等離子障蔽。金屬蒸汽汲取激光束電離成等離子云，金屬蒸汽四周的保護氣體也會因受熱而電離。假如等離子體存在過多，激光束在某種程度上被等離子體耗費。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。經過增添電子與離子和中性原子三體碰撞來增添電子的復合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻次越高，復合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護氣體，才不致因氣體自己的電離而增添電子密度。從表可知，等離子體云尺寸與采納的保護氣體不同樣而變化，氦氣最小，氮氣次之，使用氬氣時最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這類差其余原由第一因為氣體

13、分子的電離程度不同樣，其余也因為保護氣體不同樣密度惹起金屬蒸汽擴散差異。三、實驗設施和實驗資料3.1實驗設施及其參數2激光器焊接系統RofinSlabDC035CO激光器。裝備六軸聯動激光三維加工系統2(ARNOLD)，參數以下：脈沖最大光束焦斑加工范圍波長焦距f功率模式直徑頻次10.6m300mm053500WTEM000.2863000mm2000mm1000mm120on360on360okHzmm：YAG激光器焊接系統RofinCW025YAG激光器。裝備五軸聯動機械手，參數以下：波長焦距f脈沖頻次最大功率光纖長度焦斑直徑10.6m120mm01kHz2500W10m0.29mm3.2

14、實驗資料CO2激光器焊接：45#低碳鋼（6mm厚），6061鋁合金。Nd:YAG激光器焊接：316L不銹鋼，6061鋁合金。金相：5%硝酸、10%NaOH溶液。四、實驗方法4.1焊接實驗焊接方式采納平板焊接方式，焊接過程中挨次增大激光器功率，比較不同樣的金屬資料（低碳鋼，鋁合金）在不同樣功率下對焊接過程實現想象及結果。實驗過程中仔細察看實驗現象，如激光焊接時的顏色、聲音和產生的火花現象。實驗過程中嚴格記錄實驗數據、實驗現象，因為兩種激光對人眼均有損害，實驗過程中必然嚴格恪守相應安全守則。4.2實驗過程及實驗結果2激光器焊接實驗用3500W的CO2激光器對45#低碳鋼，6061鋁合金進行焊接，焊

15、接過程都采用He氣保護，氣體流量15L/min，用焦距300mm透鏡聚焦將光斑匯聚到280um，正離焦焊接，焊接速度為2m/min。A、45#低碳鋼鋼焊接將功率從500W開始逐漸增添至3500W，共采納11個功率點進行焊接。將實驗現象及數據記入表2，激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關系見圖7、8。B、鋁合金6061焊接功率從1200W開始逐漸增添至3500W，共采納13個功率點進行焊接。將實驗現象及數據記入表3，激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關系見圖9、10。激光器316L不銹鋼焊接實驗用2500W的YAG激光器對45#低碳鋼進行焊接，依據試樣規格對機械手進行調試，設定焊接實驗程序。保護氣體

16、采納4bar的Ar氣，焊接速度為2m/min。采納F=120mm透鏡，光斑為0.6mm.焊接過程中先通保護氣體再開光，因為YAG激光對人眼有很大損害，焊接過程中必然佩帶防備眼鏡。A、316L不銹鋼焊接焊接功率從600W逐漸變化到1600W，共11個功率點。將實驗現象及數據記入表4，激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關系見圖11、12。B、鋁合金6061焊接焊接功率從600W逐漸變化到1200W。將實驗現象記入表5。4.3金相分析實驗采納適合地點切割試樣，并進行研磨、腐化，今后在光學顯微鏡下察看焊縫熔寬、熔深及焊縫中的缺點，選擇適合的丈量標準記錄數據。實驗過程：采納適合地點在切割機進步行切割，在本

17、次實驗中對每一塊試樣進行兩次切割，并采納34個截面進行仔細研磨，將磨好后的試樣進行腐化，此中45#低碳鋼選擇5%硝酸、酒精混淆溶液，鋁合金采納NaOH溶液，腐化時間大體15min。試樣辦理好后，在光學顯微鏡下對焊縫的熔寬、熔深及焊縫中的宏觀缺點進行丈量，將各組實驗數據記錄并整理記入表2、3、4。五、實驗結果及分析nknXn135n計算不同樣功由丈量中采納35格為1mm，依據實驗數據，利用公式率狀況下熔深、熔寬的均勻值，此中X為均勻熔深或熔寬，kn為第n個丈量點下的格子數，為n丈量點的數目。ps2，此中S為功率密度，P為激光功功率轉變成功率密度的公式為：r率，r為光斑半徑。利用excel繪出各焊

18、接條件下熔深、熔寬與激光功率（功率密度）之間的關系曲線（以激光器的功率（功率密度）為橫坐標，試樣的熔深和熔寬的長度為縱坐標），經過察看曲線中熔深和熔寬的變化，確立閾值范圍，從而進行實驗分析。5.1CO2激光器焊接實驗5.1.145#低碳鋼鋼焊接實驗現象，結果及分析：表2CO2焊接45#低碳鋼熔深、熔寬與功率（功率密度）的實驗數據及實驗現象編激光功率密度實驗現象功率熔深（mm）熔寬（mm）號(W/cm2)（W）1500812427略微黃光,無飛0.310.49濺2600974912黃光,無飛濺0.740.4937001137398先黃光，后藍白0.910.69光,開始有飛濺48001245282

19、藍白光,飛濺1.20.69開始增添59001462368藍白光,飛濺1.460.77增添610001624854先藍白光，后白1.740.77光,飛濺增添715002437281先藍白光，后白2.61光,飛濺增添820003249708白光,飛濺開3.541始減少925004062134白光,飛濺減3.891.17少1030004874561激烈白光,飛4.571.23濺消逝1135005686988激烈白光,產51.34生氣團圖7熔深、熔寬與功率的關系曲線圖8熔深、熔寬與激光功率的關系曲線從表2中及圖7、8中能夠看出在保護氣體為He，焊接速度保持在2m/min的狀況下，跟著激光功率密度的提高

20、，45#鋼的資料表面會發生一系列變化，包含表面溫度高升、融化、氣化、形成小孔并出現光致等離子體，同時聲音也逐漸增大，飛濺加強，光明加深，光明刺目更強且刺目體積部分變大。當激光功52率密度小于600W(功率密度為9.710W/cm)，曲線變化比較緩和，金屬汲取激光能量只惹起資料表層溫度的高升及表層發生融化。功率密度抵達700W(功率密度為621.13710W/cm)時，曲線變化加速，資料表面在激光束的輻照下發生氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔寬較之600W的焊接點有顯著提高，即發生了跳變，在此今后，跟著激光功率的增添，熔深與熔寬之比也有較大幅度的提高。依據激光

21、焊接模式原理，我們62得悉在功率密度為1.13710W/cm以前，屬于熱傳導過程，即焊接種類為熱鋁合金6061焊接實驗現象及結果表3CO2焊接6061鋁合金熔深、熔寬與功率（功率密度）的實驗數據及實驗現象編號功率密度功率（w）（w/cm2）實驗現象熔深/mm熔寬/mm1黃光，光點很10001624854小，無飛濺002黃光，光點很12001949825小，無飛濺00.143黃光，光點，無飛濺00.174先黃光，后綠16002599766光，無飛濺00.25黃光、綠光間雜出現，無00.296黃光、綠光間雜出現，開始20003249708有飛濺0

22、0.297出現綠光，飛22003574678濺好多00.298出現綠光，后消逝，飛濺逐24003899649漸增添2.112.29出現綠光，后消逝，飛濺逐26004224620漸增添2.142.2310瞬時綠光，后為黃光，飛濺28004549591增添2.292.6311綠光，后黃光變強，飛濺增30004874561多2.42.7112綠光，后黃光變強，飛濺增33005362017多2.712.711335005686988黃色亮光更3.032.94強有火花，飛濺增添圖9熔深，熔寬與功率的關系曲線圖10熔深，熔寬與功率密度的關系曲線在對鋁合金6061的焊接中，由表3，圖9、10知，激光功率在1

23、000W2200W的七個焊接點時，熔深熔寬較小，表面僅有細微變化，在激光功率為22002400W、6262功率密度為3.57510W/cm3.90010W/cm時，熔深、熔寬有了大幅度提高（突變），可見閾值范圍在62周邊，即閾值以前為熱導焊、閾值今后3.90010W/cm626為深熔焊。在激光功率為2200W3500W、功率密度為3.57510W/cm5.687102W/cm時，熔深熔寬的深度及寬度增添，即在必然條件范圍內，跟著功率的增添，焊接深度增添。5.2YAG激光器316L不銹鋼焊接實驗5.2.145#低碳鋼鋼焊接表4固體Nd：YAG激光器焊接316L不銹鋼熔深，熔寬與功率(功率密度)的

24、實驗數據編號功率密度實驗現象功率(W)(W/cm2)熔深(mm)熔寬(mm)1400141471.0605黃色亮點0.20.8571432亮點逐漸變500176838.8257亮0.20.7142863600212206.5908亮點變亮0.2571430.8285714700247574.3559亮點變亮0.2857140.85800282942.1211亮點變亮0.4142860.86900318309.8862亮點變亮0.4857140.84285771000353677.6513亮點變亮0.5571430.88571481100389045.4164亮點變亮0.60.885714912

25、00424413.1816亮點變亮0.6857140.9101300459780.9467亮點變亮0.8285710.9111400495148.7118亮點變亮1.8571431.357143121500530516.477亮點變亮1.9714291.428571圖11熔深，熔寬與功率的關系曲線圖12熔深，熔寬與功率密度的關系曲線在實驗過程中能夠察看到：跟著激光功率的增添，光芒逐漸變亮，陪伴煙塵，藍光的產生，而且聲音逐漸增大。但焊接的整個過程中均無飛濺的產生。從表4，圖11中我們能夠看出，功率在增添過程中，焊接的熔深、熔寬均隨之增添。如圖6211、12所示，當激光加工功率在1300W1400

26、W（功率密度為0.46010W/cm0.495210W/cm）之間時，焊縫的深度，寬度以及深寬比有大幅度提高，而在此以前的都比較小，所以我們計算功率的閾值約1300W1400W中間值1350W左右，功率62密度閾值約為0.47810W/cm左右。即在臨界點以前能夠為焊接種類為熱導焊，今后為深熔焊。鋁合金6061焊接固體Nd：YAG激光器焊接6061鋁合金無實驗數據，實驗過程現象如表5所示編號激光功率（W）實驗現象1600焊縫、火苗小，亮點小，無飛濺，無聲音2800焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音31000焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音41200焊縫增寬、火苗增大，亮點

27、增大，無飛濺，無聲音51400焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音61600焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音71800焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，細小飛濺，無聲音82000焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，細小飛濺，無聲音因沒有切割和分析試樣，焊接的深度，寬度隨功率變化的數據沒有，也就沒有他們之間的曲線關系。但理論上，整個過程均沒有出現深熔焊，即均為熱導焊，且跟著激光功率的增添，熔深和熔寬應當會有小幅度的提高或變化。六、實驗結論經過對四次實驗數據的分析和比較，我們獲取以下結論：1、在任何一種焊接方式下，跟著激光功率(功率密度)的增添（其余各條件保持不變），焊縫的熔深與熔寬都隨

28、之增大，即焊縫的尺寸與功率成正有關。此中在達到某一特定功率密度時，焊縫的尺寸會大幅度增添，深寬比也顯著增大，我們以為此時的功率密度即為熱導焊向深熔焊轉變的閾值。2、因為資料自己的性質，如粗拙度、對波長汲取率等特色，不同樣種類的金屬焊接的結果也有所不同樣。如在本次實驗中，鋁合金對激光的汲取率較之45#低碳鋼較低，一方面因為鋁合金對激光的反射較強致使汲取率降落，另一方面則因為鋁合金比45#低碳鋼更簡單產生等離子體障蔽的現象。3、因遇到光束質量的影響，CO2激光器的聚焦光斑尺寸比YAG激光器要小，所以同樣功率時前者的功率密度較大，所以CO2激光器焊接質量要優于YAG。光束質量丈量方法一、實驗目的1、認識丈量光束質量的方法2、掌握鑒于空心探針丈量原理的PROMETEC企業的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑質量檢測儀的使用方法。二、實驗原理采納鑒于空心探針丈量原理的PROMETEC企業的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑質量檢測儀丈量大功率CO2激光器的光束質量。如圖13所示是空心探針探測法丈量原理，這一方法過去是作為大功率激光光束光斑質量檢測而提出的。由一個定速電機帶動空心探針轉動，探針一端有一個微孔，探針