激光焊接實驗報告

1、激光焊接實驗報告白生文 2011010462 機械13班1.實驗目的1.了解激光焊接熱導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)對焊縫成形的影響規(guī)律，利用實驗方法獲得焦點位置、激光功率和焊接速度等對激光焊接焊縫成形的影響規(guī)律。3.測定焦點位置對激光焊接熔化效率的影響曲線。2.實驗原理激光焊接系統(tǒng)一般由激光器、光路傳輸、聚焦系統(tǒng)和工作臺組成。常用的激光器有兩種，一種是以CO2氣體為工作物質的CO2激光器，可以輸出10.6m波長的連續(xù)或脈沖激光；另一種是以摻銣釔鋁石榴石晶體為工作物質的固體激光器，簡稱YAG激光器，可以輸出1.06m波長的連續(xù)或脈沖激光。激

2、光焊接有兩種模式，一種是基于小孔效應的激光深熔焊，另外一種是基于熱傳導方式的激光熱導焊。激光深熔焊的原理如下：當功率密度高于5×105W/cm2的激光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%以上的激光能量被小孔吸收，小孔周圍的金屬就是被小孔壁傳遞的能量所熔化。隨著光束的移動，小孔前壁的液態(tài)金屬被連續(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

3、形成焊縫。激光熱導焊功率密度低于5×105W/cm2，由于金屬對激光的反射率較高，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的主要參數(shù)?？梢杂每刂谱兞糠ㄖ饌€研究各因素對激光焊接焊縫成形的影響。3.實驗內容1.學習并掌握激光深熔焊的原理，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，以及激光深熔焊接的焊縫成形特征。2.利用固體激光器焊接低碳鋼樣品，焊后制備焊縫橫斷面的金相試樣，用光學顯微鏡觀察并記錄不同焊接工藝條件下焊縫成形特點，測試焊縫熔深和焊縫寬度隨焦點位置、激光功率和焊接速度的變化規(guī)律。3.測量焊縫斷面面積，得到焦點位置對激光焊接

4、熔化效率的影響。4.實驗步驟及現(xiàn)象4.1實驗步驟準備低碳鋼試樣100mm×60mm×3mm若干塊；將工件裝好，開啟激光器，完成編程；分組通過改變焦點位置、激光功率和焊接速度進行焊接，每組改變參數(shù)4到5次，記錄實驗現(xiàn)象。取出試樣并觀察；將試樣切割，制備金相試樣并在顯微鏡下測量焊縫寬度和熔深（為節(jié)省時間，金相試樣在實驗前已制備）。4.2實驗現(xiàn)象經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度變慢和激光功率增加，鋼板被熔透程度增加，另外焦點位置越接近鋼板表面，鋼板越容易被熔透。5.實驗數(shù)據(jù)分析實驗數(shù)據(jù)如表1，表2，表3，表4所示，V為焊接速度，f為焦點位置，P為激光功率。表1，V=1.0m/min，f=

5、0時不同激光功率下的熔深和熔寬編號12345678P/W3004005006007008009001000熔寬B/mm0.70.91.11.31.31.31.31.3熔深H/mm1.01.21.41.92.02.32.52.5表2，P=1000W，f=0時不同焊接速度下的熔深和熔寬編號12345678V/m/min0.51.01.52.03.04.05.06.0熔寬B/mm2.01.61.21.10.90.60.40.3熔深H/mm2.52.52.51.72.01.91.51.8表3，P=1000W，V=1.5m/min時不同焦點位置下的熔深和熔寬編號12345678f/mm01234567熔

6、寬B/mm0.31.11.21.31.31.31.51.4熔深H/mm2.52.52.52.12.01.41.21.0表4，P=1000W，V=1.5m/min時不同焦點位置下的熔深和熔寬編號12345678f/mm0-1-2-3-4-5-6-7熔寬B/mm1.31.00.90.80.91.01.11.4熔深H/mm2.52.52.32.02.01.71.31.1V=1.0m/min，f=0時熔深和熔寬隨激光功率的變化如圖1所示。圖1，熔深和熔寬隨激光功率的變化曲線P=1000W，f=0時熔深和熔寬隨焊接速度的變化如圖2所示。圖2，熔深和熔寬隨焊接速度的變化曲線V=1.5m/min，P=100

7、0W時熔深和熔寬隨焦點位置的變化如圖3所示。圖3，熔深和熔寬隨焦點位置的變化曲線由圖3可以看出焦點位置f在0到2mm時熔深最大，熔寬也較大，焊縫質量較好，因此最佳的焦點位置是0到2mm。由圖1可得隨著激光功率增加，熔深和熔寬都增加。這是因為焊接速度和焦點位置不變時，隨激光功率增加，熔池中單位時間內輸入的熱量增加，因而被熔化的金屬也增加，表現(xiàn)為熔深和熔寬增加。同理，圖2顯示隨焊接速度增加，熔深和熔寬減小。這是因為當激光功率和焦點位置不變時，隨著焊接速度增加，整個焊接過程中輸入的總熱量減小，表現(xiàn)為熔深和熔寬減小。6.思考題1.激光焊接焊接中的主要參數(shù)包括哪些，分別是如何影響焊縫成形的？答：影響激光

8、焊接的主要參數(shù)有激光功率、焊接速度和焦點位置。激光功率越大，熔深和熔寬越大；焊接速度越慢，熔深和熔寬越大；焦點位置越靠近金屬材料上表面，熔深和熔寬越大，但這也不是絕對的，有時候焦點位置在金屬材料上表面往上一點時，也能夠得到較好的焊縫。2.激光焊接的主要特點是什么，相對傳統(tǒng)焊接方法（如電弧焊），存在何種優(yōu)勢？激光焊接又存在哪些不足？答：相對傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接主要有以下特點：激光焊接功率密度高，可以熔化甚至氣化任何材料，可進行局部的細微焊接；焊接過程中輸入的線能量小，因此熱影響區(qū)和熱熱變形均很?。缓附铀俣雀?，可以大大提高生產(chǎn)效率；光束容易傳導，易實現(xiàn)焊接自動化。另外激光焊接也存在以下不足：焊接

9、厚度有局限，適合薄材焊接；對焊接物品對接拼合有要求，縫隙越小越好；對焊接材料也有一定局限性，不銹鋼最好焊接，但是像銅材、鋁材，反光率高的產(chǎn)品就不適合；產(chǎn)品部件過大也不適合，因為工作平臺有限，汽車可以采用機械手焊接，但是投資很大。3.如何測量或計算激光熔深焊的臨界功率密度？答：固定焊接速度和焦點位置，改變激光功率在試樣表面進行掃描焊接，然后采用讀數(shù)顯微鏡測量焊接深度，并繪制出焊接深度與激光功率的對應關系曲線，即可得出相應條件下激光深熔焊接的臨界功率，然后對光斑內的功率密度分布進行診斷和分析，以確定激光深熔焊接的臨界功率密度。高斯光束照射半無限體時材料蒸發(fā)的臨界功率密度（光斑中心最高功率密度）可用下式計算：Iw=20ck(Tv-T0)ArFtan-1(8kt/rF)式中0，c，k分別是材料的密度、比熱和熱擴散率；Tv和T0為材料的蒸發(fā)溫度和初始溫度；A為材料表面對激光的吸收率；rF為聚焦光斑半徑；t為激光作用時間。4.請談談對本實驗的認識、感想和建議。答：之前專題訓練做的就是激光熔覆，跟這個實驗很類似。通過該實驗對激光焊接有了更進一步的認識。對于該實驗，我有