激光焊接成形实验报告.docx

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1、激光焊接成形试验报告激光焊接成形试验报告一、试验目的(1) 了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理,特别要把握激光深熔焊的原理。(2) 了解激光焊接工艺参数对焊接成形的影响规律,利用试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硬性规律。(3) 测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。二、试验内容(1) 学习并把握激光熔焊的原理,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,以及激光深熔焊焊缝成形特征。(2) 利用光纤激光器焊接低碳钢样品,焊接后制备焊接横断面的金相试样,用光学显 微镜观看并记录不同焊接工艺条件下焊缝成形的特点,测试焊缝容身和焊缝宽度随焦点位置、激

2、光功率和焊接速度的变化规律。(3) 测量焊缝断面面积,得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响。三、试验原理激光焊接是一种利用高能量密度的激光束进展材料连接成形的方法。激光束经聚焦后可 到达极高的功率密度,比常规热源的功率密度至少要高出两个数量级,因此激光可以熔化甚 至汽化任何材料,可进展局部区域的微细焊接;焊接过程输入的线能量小,因此热影响区和 热变形均很小;焊接速度高,可大大提高生产效率;光束易于传输,简洁实现焊接自动化。激光焊接系统一般由激光器、光路传输和聚焦系统、工作台组成。常用的大功率激光器主要有两类,一种是以CO2 气体作为工作物质的激光器,称CO2 激光器,可以输出10.6m 波长的

3、连续或脉冲激光;另一种是以掺钕钇铝石榴石晶体为工作物质的固体激光器,简称Nd: YAG 或YAG 激光器,可以输出 1.06m 波长的连续或脉冲激光。激光焊接可以两种模式进展,一种是基于小孔效应的激光深熔焊,另外是基于热传导方式的激光热导焊。激光深熔焊的原理如下:当功率密度高于 5105W/cm2 的激光束照耀在金属材料外表时,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离,从而在小孔内部和上方形成等离子体,这个布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小孔壁的屡次反射吸取后可到达90%以上的激光能量被小孔吸取,小孔四周的金属就是被小孔臂传

4、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向前移动,包围小孔的熔融金属沿小孔四周向后流淌,随后冷却并凝固形成焊缝。激光热导焊则是在功率密度低于5 105W/cm2 下,基于热传导的焊接方法。由于通常状况下金属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。在激光焊接中,激光功率、焊接速度和焦点位置是影响焊缝成形的主要参数,另外保护 气体种类和流量也对焊缝成形产生重要影响。焦点位置是指光束焦点距工件外表的相对距离, 定义焦点在工件外表以下为正称入焦,反之为负称离焦。焊缝成形参数主要包括熔深和焊缝宽度,激光焊接时,在同样的激光功率和焊接速度

5、下, 不同的焦点位置会影响聚焦光斑大小,从而影响作用在工件外表的激光功率密度,其结果会 形成不同深度的小孔甚至不能形成小孔效应,产生不同熔深的焊缝。激光功率和焊接速度直 接影响了输入的线能量,会导致焊缝成形的变化。四、试验步骤全体同学自行分为三组,分别通过转变焦点位置、激光功率和焊接速度争论各参数对焊缝成形的影响。具体试验步骤如下:(1) 预备低碳钢试样 100mm60mm3mm 假设干块,外表用砂纸打磨去锈,并用丙酮清洗干净。在每块试样上划出焊接位置。(2) 焊前调整Ar 气流量,轴向气体 400L/h。(3) 将工件装卡好,启动数控机床并调整焊接喷嘴位置,完成机床编程。(4) 严格依据操作

6、规程启动激光器。(5) 各组分别通过转变焦点位置、激光功率和焊接速度,进展激光焊接,得到不同的焊缝,每组分别转变参数 5 次,保证焊接过程从热导焊变化到深熔焊,总共15 条焊缝。焊接过程中认真观看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,记录试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) 将试样沿横断面剖开,并制备金相试样,利用显微镜测量焊缝宽度和深度。(8) 课后完成试验报告并答复思考题。五、试验数据及分析光纤激光试验1功率对于焊缝成形的影响V=1.5m/minf=0P12345678功率/W3004005006007008009001000熔宽

7、/mm0.70.90.91.21.21.31.21.2熔深/mm0.71.11.41.91.82.32.52.5功率对焊缝成形的影响32.5m m/度宽和度深缝焊21.51熔深0.5熔宽03004005006007008009001000激光功率/W2)速度对于焊缝成形的影响P=1000W,f=0V12345678速度 m/min0.511.523456熔宽/mm1.31.00.80.60.70.50.50.4熔深/mm2.52.42.52.52.32.11.91.8速度对焊缝成形的影响32.5m m/度宽和度深缝焊21.5熔深1熔宽0.50123456焊接速度/m/min3焦点位置对于焊缝成

8、形的影响P=1000W,v=1.5m/minF12345678焦点/mm-1-2-3-4-5-6-7-8熔宽/mm1.21.41.61.71.31.21.51.2熔深/mm2.52.52.42.32.01.71.31.3F12345678焦点/mm+1+2+3+4+5+6+7+8熔宽/mm0.81.11.41.41.11.21.31.3熔深/mm2.32.42.52.42.01.41.41.0焦点位置f对焊缝成形的影响一3m m/度宽和度深缝焊2.521.5熔深1熔宽0.5012345678焦点位置/mm焦点位置f对焊缝成形的影响二32.5m m2/度 宽 1.5和熔深度深1熔宽缝 0.5焊0

9、-2-4焦点位置/mm-6-8数据分析(1) 焊接速度以及焊接位置确定的激光束,焊缝熔宽以及熔深会随着激光功率的增加呈增加的趋势,当功率增大到确定程度,推想产品被焊透,熔宽也会有一个阈值;(2) 功率和焊接位置确定的激光束,随着激光移动速度的增加,焊缝的熔深和熔宽均渐渐减小,当速度很慢时,材料被焊透切焊缝较宽,当速度较快时,材料焊不透且局部焊缝很窄;(3) 焦点位置对焊缝的影响根本上呈对称趋势,其中在0 焦点位置,焊缝的熔深到达最大,而熔宽则不然, 在功率到达确定范围时,熔宽随着斑点直径增大而增大,增大确定范围时,外围能量缺乏以使焊缝金属熔化,熔宽减小。六、思考题一激光焊接的主要参数包括哪些,

10、分别如何影响焊缝成形的。主要参数为焊接速度,激光的功率,焦点位置三个因素,对焊缝成形的影响如上所示。激光功率增大时,熔深增大。焊接速度增大时,熔深及熔宽均下降。当焦点位于工件较深部位时,形成V 形焊缝;当焦点在工件以上较高距离正离焦量大时,形成“钉头”状焊缝,且熔深减小;而当焦点位于工件外表以下1mm 左右时,焊缝截面两侧接近平行。二激光焊接的主要特点是什么,相对于传统钓焊接方法,存在何种优势?激光焊接又有哪些缺陷和缺乏?优点:(1) 激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件四周的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。(2) 可以切

11、换装置将激光束传送至多个工作站。(3) 不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形接可降至最低。(4) 可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦最低。(5) 不需真空,亦不需做X 射线防护。(6) 激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件。(7) 可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。(8) 易于以自动化进展高速焊接,亦可以数位或电脑把握。(9) 焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。(10) 不受磁场所影响电弧焊接及电子束焊接则简洁,能准确的对准焊件。(11) 可焊接不同物性如不同

12、电阻的两种金属。(12) 工件可放置在封闭的空间经抽真空或内部气体环境在把握下。(13) 假设以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1。1432mm 板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。缺点:(1) 高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所转变。(2) 设备昂贵。(3) 最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm 的工件,生产线上不适合使用激光焊接。(4) 焊件位置需格外准确,务必在激光束的聚焦范围内。(5) 当进展中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子把握器将熔池四周的离子化气体驱除,以确保焊道的再消灭。(6) 能量转换效率太低,通常低于10%。(7) 焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。(8) 焊件需使用夹治具时,必需确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。三请谈谈对本次试验的生疏,感想和建议。本次试验让我们对激光焊接,尤其是光纤焊有了比较形象的了解,在动手试验以及产品焊缝的分析中对影响焊缝成形的因素以及效果有了直观的生疏,也是对书本中所学内容的一个补充。期望此类试验可以再今后的课程中越来越多。

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