光纤激光焊接成形实验.docx

光纤激光焊接成形实验―、 实验目的1. 了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理，特别要掌握激光焊接深熔焊的原理2. 了解激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律，利用实验方法获得焦点位置、激光功率和焊 接速度对激光焊接焊缝成形的影响规律3. 测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线二、 实验内容1. 学习并掌握激光深熔焊接的原理，主要包括小孔的形成，等离子体的产生和对焊接过程的影 响，以及激光深熔焊焊接的焊缝形成特征2. 利用2KW光纤激光器焊接低碳钢样品，焊后制备焊缝横断面的金相试样，用光学显微镜观 察并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点，测试焊缝熔深和焊缝宽度随焦点位置、激光 功率和焊接速度的规律变化3. 测试焊缝断面面积，得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响三、 实验原理简述激光焊接是利用一种高能量密度的激光束进行材料连接成形的方法 激光焊接系统—般由激光器、光路系统和聚焦系统、工作台组成激光焊接可以两种方式进行，一种是基于小孔效应的激光深熔焊， 另外一种是基于热传导的激光热导焊激光深熔焊的主要原理如下： 当功率密度高于5 105W / cm2时，激光束照射在材料的表面，材料产生蒸发并形成小孔。

深熔焊过程产生的金属蒸汽和保护气体，在激光作用下发生电力， 从而在小孔内部和上空形成等离子体， 这个充满金属蒸汽和等离子体的小孔就像一个黑体，入射激光进入小孔后经过小孔逼的多重反射吸收后可达到90%以上的激光能量被小孔吸收，小孔周围的金属就是被小孔壁传递的能量所熔化随着光束的移动，小孔前壁的液态金属材料被连续蒸发， 小孔就以一种动态平衡的状态像前移动，包围小孔的熔融金属沿小孔周围向后流动， 随后冷却并凝固形成焊缝激光热导焊的主要原理如下：当功率密度不高于 5 105W / cm2时，主要是基于热传导的方式进行焊接，由于通常情况下金属材料对激光的反射率较高， 因此这种焊接方法获得的焊缝熔深很小四、 实验步骤1. 准备低碳钢试样100 mm 60mm 3mm若干块，表面用砂纸打磨去锈，并用丙酮清 洗赶紧并 在每块试样上划出焊接位置2. 焊前调节Ar的气流量，轴向气体400 L / h3. 将工件装卡好，启动数控机床并调整焊接喷嘴的位置，并完成机床的编程4. 严格按照操作规程启动激光器5. 分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度，并进行激光焊接，得到不同的焊缝，每组分别改变参数5组，保证焊接过程从热导焊变化到深熔焊。

焊接过程中仔细观 察不同状态下的焊接特点及等离子体的声光特征6. 焊后将试样取出，记录实验时间和所用激光器机时，关闭激光器和数控机床，并清扫工作 台7. 将试样沿横截面面剖开，并制备金相试样，利用光学显微镜测量焊缝宽度和深度说明：为 了节省实验时间和保证实验的完成进度，实际实验时分作两部分其一，是激光的功率、焊接速度和焦点位置对激光焊接焊缝的影响 其二，直接利用已经做好的金相样品来测量，省略制取金相样品的过程五、实验记录与分析1.现象记录1）当激光焊接速度一定，焦点位置为=0,激光功率从小到大变化时，可以发现：焊接过程由热导焊变化到了深熔焊，焊缝熔宽变宽，熔深也加深，直到完全焊透金属材 料2）当激光焊接功率一定，焦点位置为甘=0激光的焊接速度由小到大变化时， 可以发现：焊缝熔宽变窄，熔深变浅3）当激光焊接功率一定，激光功率一定，焦点位置变化时，可以发现：随卜-.f|的增大, 焊缝熔宽变窄，熔深变浅2.数据记录与分析1）仅功率变化时，数据表格如下表示：因素：功率Pt V=15m/mi n Af =0P12345678功率/W3004005006007008009001000熔宽/mm0.30.40.50.80.70.70.80.7熔深/mm0.71.11.51.81.82.2330 200 400 600 800 1000 1200分析：从曲线上来看，随激光功率的增加，焊缝熔宽越来越宽，当功率超过 600 W ,熔宽基本稳定在0.7 ~ 0.8 mm。

这是由于，随着激光功率的增加，焊接过程由热导焊、热 导焊和深熔焊随机出现、深熔焊依次出现，从不形成小孔到小孔间断性的产生和消失， 再到稳定存在其中小孔的直径就是熔宽，而小孔的大小一方面和激光功率、激光的聚 焦半径有关，另一方面和小孔材料，即焊缝金属散热效率有关，二者达到平衡时的小孔 直径为实际熔宽因此，焊缝熔宽随着激光功率的增大而增大当小孔直径与激光聚焦 直径相当时，熔宽基本不变化随激光功率的增加，焊缝熔深越来越大， 当激光功率超过900 W时，这种工艺参数下，钢板已经完全焊透，熔深为 3mm这是因为焊接体能量与激光功率呈正比，激光功率密度随着激光功率增大而增大，焊接体能量也随之增大因而在单位时间内将有更多的激光束能量辐照到小孔底部， 激光束对孔底的辐照加热作用增强，孔底蒸发的材料越多，焊缝熔深也就越深，直到达到最大熔深，即完全把焊接 体焊透2）仅焊接速度变化时，数据表格如下表示:因素：速度V T P=1000W Af =0V12345678速度/m/min0.511.523456熔宽/mm0.80.80.70.60.60.50.50.5熔深/mm332.62.52.121.71.7熔宽随焊接速度变化曲线熔宽/mm熔深随焊接速度变化曲线］3.52.51.50.51=5 ”0 2 4 6 8分析：由上图两支曲线可知，随焊接速度的增大，焊缝熔深和熔宽均减小。

焊接速度和激光功率密度一起影响焊接区域的热输入在激光功率不变的情况下，当焊接速度增大 时，焊接区域的热输入减小，熔池变小，表现在焊缝成形上则是焊缝熔深变浅、熔宽变窄3）仅焦点位置变化时，数据表格如下表示:因素：焦点Af -T P=1000W v=1.5m/min心f-12345678入焦/mm0-1-2-3-4-5-6-/熔宽/mm1.11.110.9710.80.80.8熔深/mm332.52.32.11.81.41.3因素：焦点Af +T P=1000W v=1.5m/minAf +12345678入焦/mm01234567熔宽/mm1.31.21.210.90.80.80.8熔深/mm33331.91.51.21.1熔宽随焦点位置变化曲线0.80.60.40.2055100熔深随焦点位置变化曲线0.5-10-510分析：从曲线看，最佳焦点位置在甘=0处，当I •丁 I增加时，焊缝熔深变浅、熔宽变窄这是由于焦点位置影响的是激光的功率密度，最佳焦点位置时，焊接区域在竖直方向上 正好处于焦点平面，此平面上，激光光束面积最小，即功率密度最大其他参数不变的 情况下，焊接区域的热输入与激光功率密度成正比。

因此，当I .f I增加时，焊接区域的热输入会减小， 导致熔池变小，表现在焊缝成形上则是焊缝熔深变浅、熔宽变窄六、思考题1. 激光焊接中的主要参数包括哪些，分别是如何影响焊缝成形的？答：激光焊接主要参数有如下：（1） 激光功率当达到某一能量密度阈值时，熔深会大大增加（由热导焊变化成深熔焊）对于一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加2） 光束焦斑决定功率密度的大小，焦斑越小，功率密度越大，熔深越大，而熔宽最大值应该和焦斑大小相当3）材料吸收值材料吸收值与输入的激光功率共同决定焊接区域的热输入，因此，吸收值越大，热输入就越多，焊缝熔深越大、熔宽越大4） 焊接速度焊接速度越快，焊缝熔宽越窄、熔深越浅5） 保护气体主要考虑到保护气体的电力难易程度越是容易电离的保护气体，在 金属蒸汽吸收激光能量时，等离子气体也会吸收，消耗掉输入的激光能量，造成 能量利用率降低，焊缝熔宽变窄、熔深变浅6） 焦点位置越是偏离焦点平面，焊缝熔宽越窄、熔深越浅7） 激光束位置主要影响工件对激光束的吸收2. 激光焊接的主要特点是什么，相对传统的焊接方法，存在何种优势？激光焊接又 有哪 些缺陷和不足？答：激光焊接的主要特点有：（1） 高的深宽比。

因为熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊 缝就变成深而窄2） 最小热输入因为小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热 量很低，热变形和热影响区很小3） 高致密性因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致 生成无气孔的熔透焊缝焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化4） 强固焊缝因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变 夹杂尺寸和其在熔池中的分布焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊 缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属5） 精确控制因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位激光输出无“惯性”， 可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件6） 非接触大气焊接过程因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件另外，磁和空气对激光都无影响主要优点有：(1) 由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响 区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料2) 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所 需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高3) 由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。

4) 由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用 也较低，从而可降低工件加工成本5) 对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作 主要缺点有：(1) 焊接深度有限2) 工件装配要求高3) 激光系统一次性投资较高3. 如何测量或计算激光深熔焊的临界功率密度？答：固定焊接速度和焦点位置，改变激光功率在试样表面进行扫描焊接，然后采用读数显微镜测量焊接深度，并绘制出焊接深度与激光功率的对应关系曲线，即可得出相 应条件下激光深熔焊接的临界功率，然后对光斑内的功率密度分布进行诊断和分析，以确定 激光深熔焊接的临界功率密度4. 请谈谈对本实验的认识、感想或建议答：本实验，我们了解并掌握了激光焊接的特点、过程、工艺参数对焊缝质量的影响等特 别是熟悉了激光焊接的基本操作，动手能力有了很大的提高建议：一本次实验由原来的co 2激光焊接变成现在的光纤激光焊接，希望能够更新教材资料二鉴于本实验实验时间仍比较多，希望能够把我们自己焊接的样品提取一些试 样作为测量对象，实验室给的金相样品作为后备资源，以增强同学们的动手能力。