光纤激光焊接成形实验

光纤激光焊接成形实验一、 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。

激光焊接系统一般由激光器、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52510/W cm ⨯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52510/W cm ⨯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100603m m m m m m ⨯⨯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A r 的气流量，轴向气体400/L h 。

3. 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0f ∆=，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0f ∆=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||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 P ↑ V=15m/min f ∆=0 P 1 2 3 4 5 6 7 8 功率/W 300 400 500 600 700 800 900 1000 熔宽/mm 0.3 0.4 0.5 0.8 0.7 0.7 0.8 0.7 熔深/mm0.71.11.51.81.82.23300.10.20.30.40.50.60.70.80.9020040060080010001200熔宽随功率变化曲线熔宽/mm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600W ，熔宽基本稳定在0.7~0.8m m 。

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900W 时，这种工艺参数下，钢板已经完全焊透，熔深为3m m 。

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。

00.511.522.533.5020040060080010001200熔深随功率变化曲线熔深/mm因素：速度 V ↑ P=1000W f =0 V 1 2 3 4 5 6 7 8 速度/m/min 0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 熔宽/mm 0.8 0.8 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 熔深/mm332.62.52.121.71.7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。

00.10.20.30.40.50.60.70.80.902468熔宽随焊接速度变化曲线熔宽/mm0.511.522.533.502468熔深随焊接速度变化曲线熔深/mm因素：焦点f ∆- ↑ P=1000W v=1.5m/minf ∆-1 2 3 4 5 6 7 8 入焦/mm 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 熔宽/mm 1.1 1.1 1 0.97 1 0.8 0.8 0.8 熔深/mm 332.52.32.11.81.41.3因素：焦点f ∆+ ↑ P=1000W v=1.5m/minf ∆+1 2 3 4 5 6 7 8 入焦/mm 0 1 2 3 4 5 6 7 熔宽/mm 1.3 1.2 1.2 1 0.9 0.8 0.8 0.8 熔深/mm33331.91.51.21.10.20.40.60.811.21.4-10-5510熔宽随焦点位置变化曲线熔宽/mm0.511.522.533.5-10-50510熔深随焦点位置变化曲线熔深/mm 熔深/mm分析：从曲线看，最佳焦点位置在0f∆=处，当||f∆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||f∆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。