2025年激光焊接技術(shù)實(shí)踐與效果分析報(bào)告

1、理解激光焊接的基本原理及特點(diǎn)，熟悉運(yùn)用激光進(jìn)行金屬焊接的詳細(xì)過程。2、觀測(cè)CO?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(jī)理。3、掌握激光焊接機(jī)床及機(jī)械手的基本操作環(huán)節(jié)和措施，可以進(jìn)行簡(jiǎn)樸的焊接操作。4、掌握金相測(cè)量措施，觀測(cè)和記錄焊接試驗(yàn)現(xiàn)象，測(cè)量熔深、熔寬，并對(duì)焊接成果進(jìn)行合理分析。5、理解激光焊接的應(yīng)用。激光焊接采用持續(xù)或脈沖激光束實(shí)現(xiàn)，激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。功率密度不不小于10?~10?W/cm2為熱傳導(dǎo)焊，此時(shí)熔深淺、焊接速度慢；功率密度不小于10?~10'W/cm2時(shí)，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。圖1是CO2激光器焊接構(gòu)造圖。激光束激光束電荷傳感器等離子體工件焊接方向背面光學(xué)傳感器焊接熔池在焊接金屬的過程中，伴隨激光功率密度提高，材料表面會(huì)發(fā)生一系列變化，其包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔并出現(xiàn)光致等離子體。不一樣功率密度激光焊接金屬材料時(shí)的重要過程如圖2所示。當(dāng)激光功率密度不不小于10'W/cm2數(shù)量級(jí)時(shí)，金屬吸取激光能量只引起材料表層溫度的升高，并沒有發(fā)生熔化。當(dāng)功率密度在不小于10?W/cm2不不小于10W/cm2數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)時(shí)，金屬料表層發(fā)生熔化。功率密度到達(dá)10W/cm2數(shù)量級(jí)時(shí)，材料表面在激光束的作用下發(fā)生氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態(tài)熔池向下凹陷形成深熔小孔。同步，伴隨有金屬蒸汽電離形成光致等離子體的現(xiàn)象。當(dāng)功率密度不小于10'W/cm2時(shí)，光致等離子體將逆著激光束的入射方向傳播，形成等離子體云團(tuán)，出現(xiàn)等離子體對(duì)激光的屏蔽現(xiàn)象。2.2激光焊接模式能量、峰值功率和反復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池，如圖3(a)所高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四面包圍著固體材料(而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊接中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內(nèi)部)?？讓偬畛渲】滓崎_后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成，如圖3(b)所示。上述過2.3激光束自聚焦過程激光束作用金屬材料表面時(shí)，在低功率密度狀況下，金屬材料對(duì)激光的吸取僅發(fā)生在表面很薄區(qū)域內(nèi)，使表面溫度升高。當(dāng)激光功率到達(dá)材料蒸發(fā)所需的臨界功率密度時(shí)，金屬表面開始發(fā)生蒸發(fā)。伴隨激光功率密度的升高，蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力增大，熔池的下陷深度增長(zhǎng)，同步，熔池表面的曲率半徑將減小，如圖4所示。由于熔池表面下陷，形成凹坑，導(dǎo)致激光束輻照在熔池上的入射角發(fā)生變化，凹陷的熔池使入射激光經(jīng)反射后匯聚于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金屬蒸發(fā)加劇，產(chǎn)生的反沖壓力升高，促使熔池深入下陷。當(dāng)材料的蒸發(fā)壓力到達(dá)某一臨界值時(shí)，蒸汽產(chǎn)生的反沖壓力使下陷的熔池陡然形成小孔，焊接深度跳躍式增長(zhǎng)，材料對(duì)激光的吸取率將急劇增長(zhǎng)，形成激光深熔焊接。2.4激光焊接的工藝參數(shù)激光焊的重要工藝參數(shù)包括脈沖能量、脈沖寬度(脈寬)、脈沖形狀、功率密度以及離焦量或焦點(diǎn)位置等。2.4.1功率密度對(duì)于不一樣的激光焊接，存在一種激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦到達(dá)或超過此值，熔深會(huì)大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾值，等離子體才會(huì)產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。假如激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功率密度處在小孔形成的臨界條件附近時(shí)，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。在傳導(dǎo)型激當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60~98%的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化，在一種激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。2.4.3激光脈沖寬度脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一，它既是區(qū)別于材料清除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。2.4.4離焦量激光焊接一般需要一定的離焦量，由于激光焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，輕易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)規(guī)定熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，宜用正態(tài)(或者光潔度)對(duì)光束吸取率有較重要影響，從而對(duì)焊接效果產(chǎn)生明顯作用。吸收率/%吸收率/%22.4.5.2溫度對(duì)吸取率的影響40~50%;當(dāng)靠近沸點(diǎn)時(shí)吸取率可高達(dá)90%,激光功率越大、作用時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的吸取2.4.5.3表面粗糙度對(duì)吸取率的影響2.4.6焊接速度2.4.7保護(hù)氣體i、激光焊接過程常使用惰性氣體來(lái)保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計(jì)較表面氧化時(shí)ii、保護(hù)聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體熔滴的濺射。尤其在高功電離能(eV)數(shù)如下：波長(zhǎng)λ3.1.2Nd:YAG激光器焊接系統(tǒng)RofinRCWO25——YAG激光器。配置五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手，參數(shù)如下：波長(zhǎng)λ材料(低碳鋼，鋁合金)在不一樣功率下對(duì)焊接過程實(shí)現(xiàn)想象及成果。試驗(yàn)過程中仔細(xì)4.2試驗(yàn)過程及試驗(yàn)成果4.2.1CO?激光器焊接試驗(yàn)保護(hù)，氣體流量15L/min,用焦距300mm透鏡聚焦將光斑匯聚到2數(shù)據(jù)記入表2,激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關(guān)系見圖7、8。B、鋁合金6061焊接功率從1200W開始逐漸增長(zhǎng)至3500W,共選用13個(gè)功率點(diǎn)進(jìn)行焊接。將試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記入表3,激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關(guān)系見圖9、4.2.2YAG激光器316L不銹鋼焊接試驗(yàn)定焊接試驗(yàn)程序。保護(hù)氣體采用4bar的Ar氣，焊接速度為2m/min。采用F=120mm透鏡，光斑為0.6mm.焊接過程中先通保護(hù)氣體再開光，由于YAG激光對(duì)人眼有很大傷害，焊接過程中必須佩戴防護(hù)眼鏡。焊接功率從600W逐漸變化到1600W,共11個(gè)功率點(diǎn)。將試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記入表4,激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關(guān)系見圖11、12。B、鋁合金6061焊接焊接功率從600W逐漸變化到1200W。將試驗(yàn)現(xiàn)象記入表5。選用合適位置切割試樣，并進(jìn)行研磨、腐蝕，之后在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)焊縫熔寬、熔深及焊縫中的缺陷，選擇合適的測(cè)量原則記錄數(shù)據(jù)。選用合適位置在切割機(jī)上進(jìn)行切割，在本次試驗(yàn)中對(duì)每一塊試樣進(jìn)行兩次切割，并選用3~4個(gè)截面進(jìn)行細(xì)致研磨，將磨好后的試樣進(jìn)行腐蝕，其中45#低碳鋼選擇5%硝酸、酒精混合溶液，鋁合金采用NaOH溶液，腐蝕時(shí)間大概1~5min。試樣處理好后，在光學(xué)顯微鏡下對(duì)焊縫的熔寬、熔深及焊縫中的宏觀缺陷進(jìn)行測(cè)量，將各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并整頓記入表2、3、4。由測(cè)量中采用35格為1mm,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式計(jì)算不一樣功率狀況下熔深、熔寬的平均值，其中X為平均熔深或熔寬，kn為第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)下的格子數(shù)，為n測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目。功率轉(zhuǎn)化為功率密度的公式為：功率轉(zhuǎn)化為功率密度的公式為：光斑半徑。運(yùn)用excel繪出各焊接條件下熔深、熔寬與激光功率(功率密度)之間的關(guān)系曲線(以激光器的功率(功率密度)為橫坐標(biāo)，試樣的熔深和熔寬的長(zhǎng)度為縱坐標(biāo)),通過觀測(cè)曲線中熔深和熔寬的變化，確定閾值范圍，進(jìn)而進(jìn)行試驗(yàn)分析。表2CO?焊接45#低碳鋼熔深、熔寬與功率(功率密度)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)現(xiàn)象(W)功率密度(W/cm2)熔深(mm)熔寬(mm)1濺23先黃光，后藍(lán)白4始增多5藍(lán)白光，飛濺增多6先藍(lán)白光，后白光，飛濺增多7先藍(lán)白光，后白光，飛濺增多18白光，飛濺開始減少19白光，飛濺減少消失強(qiáng)烈白光，產(chǎn)生氣團(tuán)554320從表2中及圖7、8中可以看出在保護(hù)氣體為He,焊接速度保持在2m/min的狀況下，伴隨激光功率密度的提高，45#鋼的材料表面會(huì)發(fā)生一系列變化，包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔并出現(xiàn)光致等離子體，同步聲音也逐漸增大，飛濺增強(qiáng)，光亮加深，光亮耀眼更強(qiáng)且耀眼體積部分變大。當(dāng)激光功率密度不不小于600W(功率密度為9.7×10?W/cm2),曲線變化比較平緩，金屬吸取激光能量只引起材料表層溫度的升高及表層發(fā)生熔化。功率密度抵達(dá)700W(功率密度為1.137×10W/cm2)時(shí)，曲線變化加緊，材料表面在激光束的輻照下發(fā)生氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態(tài)熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔寬較之600W的焊接點(diǎn)有明顯提高，即發(fā)生了跳變，在此之后，伴隨激光功率的增長(zhǎng)，熔深與熔寬之比也有較大幅度的提高。根據(jù)激光焊接模式原理，我們得知在功率密度為1.137×10?W/cm2之前，屬于熱傳導(dǎo)過程，即焊接類型為熱導(dǎo)焊，而在該臨界點(diǎn)(閾值)后，熔池深寬比增大，這時(shí)焊接類型為深熔焊。編號(hào)功率(w)功率密度1002030405黃光、綠光間雜出現(xiàn)，無(wú)飛0濺6黃光、綠光間雜出現(xiàn)，開始07出現(xiàn)綠光，飛濺較多08出現(xiàn)綠光，后漸增多9出現(xiàn)綠光，后漸增多瞬間綠光，后增多變強(qiáng)，飛濺增多變強(qiáng)，飛濺增多增多321功率密度(W/cm2)--系列2在對(duì)鋁合金6061的焊接中，由表3,圖9、10知，激光功率在1000W~2200W的七個(gè)焊接點(diǎn)時(shí)，熔深熔寬較小，表面僅有細(xì)微變化，在激光功率為2200~2400W、功率密度為范圍在3.900×10?W/cm2附近，即閾值之前為熱導(dǎo)焊、閾值之后為深熔焊。在激光功率為2200W~3500W、功率密度為3.575×10?W/cm2~5.687×10?W/cm2時(shí)，熔深熔寬的深度及寬度增長(zhǎng)，即在一定條件范圍內(nèi)，伴隨功率的增長(zhǎng)，焊接深度增長(zhǎng)。5.2.145#低碳鋼鋼焊接編號(hào)功率(W)熔深(mm)熔寬(mm)1黃色亮點(diǎn)23456789在試驗(yàn)過程中可以觀測(cè)到：伴隨激光功率的增長(zhǎng)，光線逐漸變亮，伴隨煙塵，藍(lán)光的產(chǎn)生，并且聲音逐漸增大。但焊接的整個(gè)過程中均無(wú)飛濺的產(chǎn)生。從表4,圖11中我們可以看出，功率在增長(zhǎng)過程中，焊接的熔深、熔寬均隨之增長(zhǎng)。如圖11、12所示，當(dāng)激光加工功率在1300W~1400W(功率密度為0.460×10W/cm2~0.495×10°W/cm2)之間時(shí)，焊縫的深度，寬度以及深寬比有大幅度提高，而在此之前的都比較小，因此我們推算功即在臨界點(diǎn)之前可認(rèn)為焊接類型為熱導(dǎo)焊，之后為深熔焊。5.2.2鋁合金6061焊接編號(hào)激光功率(W)12345678因沒有切割和分析試樣，焊接的深度，寬度隨功率變化的數(shù)據(jù)沒有，也就沒有他們之間的曲線關(guān)系。但理論上，整個(gè)過程均沒有出現(xiàn)深熔焊，即均為熱導(dǎo)焊，且伴隨激光功率的增長(zhǎng)，熔深和熔寬應(yīng)當(dāng)會(huì)有小幅度的提高或變化。通過對(duì)四次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和對(duì)比，我們得到如下結(jié)論：1、在任何一種焊接方式下，伴隨激光功率(功率密度)的增長(zhǎng)(其他各條件保持不變),焊縫的熔深與熔寬都隨之增大，即焊縫的尺寸與功率成正有關(guān)。其中在到達(dá)某一特定功率密度時(shí)，焊縫的尺寸會(huì)大幅度增長(zhǎng)，深寬比也明顯增大，我們認(rèn)為此時(shí)的功率密度即為熱導(dǎo)焊向深熔焊轉(zhuǎn)變的閾值。2、由于材料自身的性質(zhì)，如粗糙度、對(duì)波長(zhǎng)吸取率等特性，不一樣類型的金屬焊接的成果也有所不一樣。如在本次試驗(yàn)中，鋁合金對(duì)激光的吸取率較之45#低碳鋼較低，首先由于鋁合金對(duì)激光的反射較強(qiáng)導(dǎo)致吸取率下降，另首先則由于鋁合金比45#低碳鋼更輕易產(chǎn)生等離子體屏蔽的現(xiàn)象。3、因受到光束質(zhì)量的影響，CO2激光器的聚焦光斑尺寸比YAG激光器要小，因此相似功率時(shí)前者的功率密度較大，因此CO2激光器焊接質(zhì)量要優(yōu)于YAG。1、理解測(cè)量光束質(zhì)量的措施光束光斑質(zhì)量檢測(cè)儀的使用措施。采用基于空心探針測(cè)量原理的PROMETEC企業(yè)的LASERSCOPEUFF100大功率光束光斑質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)量大功率CO?激光器的光束質(zhì)量。如圖13所示是空心探針探測(cè)法測(cè)量原理，這一措施過去是作為大功率激光光束光斑質(zhì)量檢測(cè)而提出的。由一種定速電機(jī)帶動(dòng)空心探針轉(zhuǎn)動(dòng)，探針一端有一種微孔，探針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)微孔對(duì)光束(光斑)的某一橫截面進(jìn)行掃描，這樣就可以獲得激光功率(橫截面分布)隨時(shí)間變化的信息。探針是該儀器的關(guān)鍵部件，包括微孔、內(nèi)光腔、反射鏡等部分，微孔的大小由被測(cè)激光光束(光斑)的功率密度確定，直徑約為20~50μm。在選擇探針材料時(shí)要考慮到抗高功率的激光損傷，此外，為了實(shí)時(shí)在線測(cè)量，探針的直徑應(yīng)盡量小，使測(cè)量時(shí)的光能量損耗不不小于1%。入射光束通過微孔，通過探針的兩個(gè)傾斜的反射鏡反射到熱釋電探測(cè)器上，獲得激光的強(qiáng)度。光束光束測(cè)量?jī)x包括傳感器、機(jī)械裝置、信號(hào)的提取與放大、控制電路、數(shù)據(jù)處理及顯示等部分構(gòu)成，其信號(hào)采集與處理系統(tǒng)原理圖如圖14所示。PCPC機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)外部數(shù)據(jù)外部程序存儲(chǔ)器放大電路電路機(jī)械裝置包括迅速平動(dòng)和高速轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分。迅速平動(dòng)裝置是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的，其目的是使探針微孔在測(cè)量過程中能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光束(光斑)的中心截面，平動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲桿，以保證位移精度。采用高速轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)(1500r/min以上)是為了提高探針的抗激光損傷閾值，并且測(cè)量到激光功率頻率上限值由其最高轉(zhuǎn)速確定。測(cè)量?jī)x的工作是在高速單片機(jī)芯片80C320的控制下完畢的。熱釋電探測(cè)器的輸出反應(yīng)了入射激光功率的大小，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，經(jīng)放大、濾波處理，送A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后