1、激光焊接實驗報告實驗目的1、理解激光焊接的基本原理及特點，熟悉運用激光進行金屬焊接的具體過程。2、觀察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理。3、掌握激光焊接機床及機械手的基本操作步驟和方法，能夠進行簡單的焊接操作。4、掌握金相測量方法，觀察和記錄焊接實驗現象，測量熔深、熔寬，并對焊接結果進行合理分析。5、了解激光焊接的應用。:、實驗原理2.1 激光焊接原理激光焊接采用連續或脈沖激光束實現，激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104105 W/crn為熱傳導焊，此時熔深淺、焊接 速度慢；功率密度大于 105 107W/cm時，金屬表面受熱作用下

2、凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點。圖1是CO2激光器焊接結構圖。圖1 CO 2激光器焊接結構圖在焊接金屬的過程中，隨著激光功率密度提高，材料表面會發生一系列變化，其包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔并出現光致等離子體。不同功率密度激光焊接金屬材料時的主要過程如圖2所示。當激光功率密度小于104W/cm2數量 級時，金屬吸收激光能量只 引起材料表層溫度的升高，并沒有發生熔化。當功率密度在大于104W/cm小于106W/cm數量級范圍內時，金屬料表層發生熔化。功率密 度達到 106W/crn數量級時，材料表面在激光束的作用下發生氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態熔池向下

3、凹陷形成深熔小孔。同時，伴隨有金屬蒸汽電離形成 光致等離子體的現象。當功率密度大于107w/cm時，光致等離子體將逆著激光束 的入射方向傳輸，形成等離子體云團， 出現等離子體對激光的屏蔽現象。圖2不同功率密度激光輻照金屬材料的主要物理過程2.2 激光焊接模式根據是否產生小孔效應可以把激光焊接分為兩種模式，即熱導焊模式和深熔焊模式。2.2.1、 激光熱傳導焊接激光加熱加工表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的 寬度、能量、峰值功率和重復頻率等激光參數，使工件熔化，形成特定的熔池，如圖3(a)所示。當焊接熔池在金屬蒸汽反沖壓力作用下向下凹陷形成深熔小孔后，材料對激光的吸收將發生突變

4、。材料的吸收率將不再僅與激光波長、金屬特性和材料表面狀態有關，而主要取決小孔效應和等離子體與激光的相互作用等因素，此時焊接模式由熱與焊接轉變為深熔焊接。2.2.2、 激光深熔焊接激光深熔焊接一般采用連續激光光束完成材料連接，其冶金物理過程與電子 束焊接極為相似，即能量轉換機制是通過“小孔”結構來完成的。在足夠高的功率密度激光照射下，材料產生蒸發并形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎吸收全部的入射光束能量，孔腔內平衡溫度達2500 0 C左右，熱量從這 個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個 孔腔四周的金屬熔化。小孔內充滿在光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬

5、，液態金屬四周包圍著固體材料(而在大多數常規焊接過程和激光傳導焊 接中，能量首先 沉積于工件表面，然后靠傳遞輸送到內部)。孔壁外液體流動和壁層表面張 力與 孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外 的材 料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定狀態。也就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成，如圖 3(b)所示。上述過程的 所有這一切發 生得如此快，使焊接速度很容易達到每分鐘數米。a激光熱導焊示意圖b激光深熔焊示意圖圖3激光煌接原理圖2.3 激光束自聚焦過程激光束作用金屬材料

6、表面時，在低功率密度情況下，金屬材料對激光的吸收僅發生在表面很薄區域內，使表面溫度升高。當激光功率達到材料蒸發所需的臨界功率密度時，金屬表面開始發生蒸發。隨著激光功率密度的升高，蒸發產生的 壓力增大，熔池的下陷深度增加， 同時，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，與致激光束輻照在熔池上的入射角發生改變，凹陷的熔池使入射激光經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加劇，產生的反沖壓力升高， 促使熔池進一步下陷。當材料的蒸發壓力達到某一臨界值時，蒸汽產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，材料對激光的吸收率將急劇增加，形成激光深

7、熔焊接。圖4激光束自聚焦示意圖2.4 激光焊接的工藝參數激光焊的主要工藝參數包括脈沖能量、脈沖寬度（脈寬）、脈沖形狀、功率密度以及離焦量或焦點位置等。2.4.1、 功率密度對于不同的激光焊接，存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾 值，等離子體才會產生， 這標志著穩定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發生表面熔化，也即焊接以穩定熱傳導型進行。而當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導焊交替進行，成為不穩定焊接過程，與致熔深波動很大。在傳導型激光焊接中，功率密度在范圍在104106W/cmi,

8、在激光深熔焊接的功率密度在1081010W/cml242激光脈沖波形當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有 6098%勺激光能量反射而損失掉，且 反射率隨表面溫度變化，在一個激光脈沖作用期間內，金屬反射率的變化很大。243激光脈沖寬度脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區別于材料去除和材料熔化的重要參數,也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。244離焦量激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。如圖

9、5所示。圖5激光束的離焦量定義2.4.5、 材料吸收值材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱與率、 熔化溫度、蒸發溫度等，其中最重要的是吸收率。影響材料對激光光束的吸收率的因素包括兩個方面：首先是材料的電阻系數，經過對材料拋光表面的吸收率測量發現，材料吸收率與電阻系數的平方根成正比，而電阻系數又隨溫度而變化；其次，材料的表面狀態（或者光潔度）對光束吸收率有較重要影響，從而對焊接效果產生明顯作用。2.4.5.1 波長對吸收率的影響金屬的吸收率A與激光波長入和金屬的直流電阻率 p存在如下關系：A = 0.365* -Y九。從圖6中得：固體金屬表面對激光的反射性較強，這是因為

10、金屬 對激光的吸收主要是通過大量自由電子的帶間躍遷實現的，自由電子受光波中強烈的電磁波的影響強迫振動而產生次波，次波又造成強烈的反射波和比較弱的透 射波。因此，金屬的電與率越高，其反射率也越高。030YAG激光CQ；戳0.10.2 03 0,5 0八8 1246 8 W 20波長/pE圖6室溫下不同金屬對不同波長激光的吸收率245.2 溫度對吸收率的影響隨著溫度升高，在激光作用下金屬的吸收率與溫度的關系可由下面的公式描述：A(T ) = A +r (T -To ),從理論上，材料對激光的吸收率隨溫度的升高而增大，金屬材料在室溫下的吸收率都比較小， 當金屬溫度達到熔點產生熔融和氣化 后，吸收 率

11、上升到4050%當接近沸點時吸收率可高達 90%激光功率越大、作 用時間越長，金屬的 吸收率越高。245.3 .3表面粗糙度對吸收率的影響材料的表面狀況如：粗糙度、氧化層和缺陷等對激光的反射率影響很大。因此增大材料表面粗糙度可以提高材料對激光的吸收率。當粗化表面微觀不平度達到波長量級左右時，材料對激光的吸收率變化較大。但隨著溫度的升高，這種現象將減少，甚至為零。2.4.6 焊接速度焊接速度對熔深影響較大，提高速度會使熔深變淺，但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以，對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍，并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。2.4.7 保護氣體保護

12、氣體的作用：i、 激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池，當某些材料焊接可不計較表面 氧化時則也可不考慮保護，但對大多數應用場合則常使用氮、瀛、氮等氣體作保護，使工件在焊接過程中免受氧化。ii、 保護聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染和液體熔滴的濺射。特別在高功率激光焊接時，由于其噴出物變得非常有力，此時保護透鏡則更為必要。iii、 驅散高功率激光焊接產生的等離子屏蔽。金屬蒸汽吸收激光束電離成等離子云，金屬蒸汽周圍的保護氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多，激光束在某種程度上被等離子體消耗。等離子體作為第二種能量存在于工作表面，使得熔深變淺、焊接熔池表面變寬。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增

13、加電子的復合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護氣體，才不致因氣體本身的電離而增加電子密度。 表1 常用氣體和金屬的原子（分子 量和電離能材料氨氨氮鋁鎂鐵原子份子）量44028272456電離能但V） 24.46156814 55.967 617 83從表可知，等離子體云尺寸與采用的保護氣體不同而變化，氨氣最小，氮氣次之，使用瀛氣時最大。等離子體尺寸越大，熔深則越淺。造成這種差別的原因首先由于氣體分子的電離程度不同，另外也由于保護氣體不同密度引起金屬蒸汽 擴散差別。三、實驗設備和實驗材料3.1 實驗設備及其參數3.1.1 CO

14、 2激光器焊接系統Rofin : Slab DC035 CO激光器。配備六軸聯動激光三維加工系統（ARNOLD）參數如下:波長入焦距f脈沖 頻率最大 功率光束模式焦斑直徑加工范圍10.6 gm300mm0 5 kHz3500WTEM oo0.286 mm3000mrrX 2000mrr X 1000mrrX 也0 Xi360o X13603.1.2 Nd : YAG激光器焊接系統Rofin : CW025 YA （激光器。配備五軸聯動機械手，參數如下波長入焦距f脈沖頻率最大功率光纖長度焦斑直徑10.6 gm120mm0 ? 1kHz2500W10m0.29mm3.2 實驗材料CO激光器焊接：4

15、5#低碳鋼（6mm厚），6061鋁合金Nd:YAG激光器焊接：316L不銹鋼，6061鋁合金。 金相：5%肖酸、10% NaOH溶 液。四、實驗方法4.1 焊接實驗焊接方式采取平板焊接方式，焊接過程中依次增大激光器功率，對比不同的金屬材料（低碳鋼，鋁合金）在不同功率下對焊接過程實現想象及結果。實驗過程中仔細觀察實驗現象，如激光焊接時的顏色、聲音和產生的火花現象。實驗過程中嚴格記錄實驗數據、實驗現象，由于兩種激光對人眼均有傷害，實驗過程中必須嚴格遵守相應安全守則。4.2 實驗過程及實驗結果421 CO 2激光器焊接實驗用3500W的CO激光器對45#低碳鋼，6061鋁合金進行焊接，焊接過程都采

16、用He 氣保護，氣體流量15L/min ,用焦距300mm透鏡聚焦將光斑匯聚到280um正 離焦焊接， 焊接速度為2m/min。A、45#低碳鋼鋼焊接將功率從500W開始逐步增加至3500VY共選取11個功率點進行焊接。將實驗 現象 及數據記入表2,激光功率/功率密度與熔深、熔寬的關系見圖 7、&B、鋁合金6061焊接功率從1200W開始逐步增加至3500W共選取13個功 率點進 行焊接。將實驗現象及數據記入表 3,激光功率/功率密度與熔深、熔寬的 關系見圖9、10。4.2.2 YAG激光器316L不銹鋼焊接實驗用2500V的YAGk光器對45#低碳鋼進行焊接，根據試樣規格對機械手進行調試，設

17、定焊接實驗程序。保護氣體采用 4bar的Ar氣，焊接速度為2m/min。采用F=120m透 鏡，光斑為0.6mm.焊接過程中先通保護氣體再開光，由于 YAG激光對 人眼有很大傷害， 焊接過程中必須佩戴防護眼鏡。A、316L不銹鋼焊接焊接功率從600V逐漸變化到1600VY共11個功率點。將實驗現象及數據記入 表4, 激光功率/功率密度與熔深、大寬的關系見圖11、12。B、鋁合金6061焊接焊接功率從600V逐漸變化到1200W將實驗現象記入表54.3 金相分析實驗選取適當位置切割試樣，并進行研磨、腐蝕，之后在光學顯微鏡下觀察焊縫熔寬、熔深及焊縫中的缺陷，選擇合適的測量標準記錄數據。實驗過程：選

18、取適當位置在切割機上進行切割，在本次實驗中對每一塊試樣進行兩次切割，并選取34個截面進行細致研磨，將磨好后的試樣進行腐蝕，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，腐蝕時間大概15mi n。試樣處理好后，在光學顯微鏡下對焊縫的熔寬、熔深及焊縫中的宏觀缺陷進行測量，將各組實驗數據記錄并整理記入表 2、3、4。五、實驗結果及分析kn由測量中采用35格為1mm根據實驗數據，利用公式35n計算不同功率情況下熔深、熔寬的平均值，其中X為平均熔深或熔寬,kn為第n個測量點其中S為功率密度,功率轉化為功率密度的公式為：P為激光功下的格子數，為n測量點的數目 率，r為光斑半徑。利用e

19、xcel繪出各焊接條件下熔深、熔寬與激光功率（功率 密 度）之間的關系曲線（以激光器的功率（功率密度）為橫坐標，試樣的熔深和熔寬的長度為縱坐標），通過觀察曲線中熔深和熔寬的變化，確定閾值范圍，進 而 進行實驗分析。5.1 CO 2激光器焊接實驗5.1.1 45#低碳鋼鋼焊接實驗現象，結果及分析：表2 CO 2焊接45#低碳鋼熔深、熔寬與功率（功率密度）的實驗數據及實驗現象編 號激光功 率 （W功率密度2 （W/cm ）實驗現象熔深（mm熔寬（mm1500812427微弱黃光，無飛濺0.310.492600974912黃光，無飛濺0.740.4937001137398先黃光，后監白 光,開始有H

20、濺0.910.6948001245282監白光，飛濺開 始增多1.20.6959001462368監白光，飛濺增多1.460.77610001624854先監白光，后白 光，飛濺增多1.740.77715002437281先監白光，后白 光，飛濺增多2.61820003249708白光，飛濺開始 減少3.541925004062134白光，飛濺減少3.891.171030004874561強烈白光，飛濺 消失4.571.231135005686988強烈白光，產生 氣團51.34C02激光器焊接45#不銹鋼mm（ 5寬 俗深 熔 一熔深（mr）-熔寬（mm2000功率（W）4000圖7熔深、熔

21、寬與功率的關系曲線CO 2激光器焊接45#不銹鋼中寬篩深熔6543熔寬（mr）T一熔深（m）功率密度（W/cm2 ） 圖8熔深、熔寬與激光功率的關系曲線從表2中及圖7、8中可以看出在保護氣體為He,焊接速度保持在2m/min的情況下， 隨著激光功率密度的提高，45#鋼的材料表面會發生一系列變化，包 括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔并出現光致等離子體，同時聲音也逐漸增大，飛濺增強，光亮加深，光亮刺眼更強且刺眼體積部分變大。當激光功 率密度小于600W功率密度為9.7 X 105W/crf2）,曲線變化比較平緩，金屬吸收激 光能量只引起材料表層溫度的升高及表層 發生熔化。功率密度到達700W功

22、率密度為1.137 X 10WC）時，曲線變化加快，材料表面在激光束的輻照下發生氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔 寬較之600W的 焊接點有顯著提高，即發生了跳變，在此之后，隨著激光功率的增加，熔深與熔寬之比也有較大幅度的提高。根據激光焊接模式原理，我們得知在功率密度為1.137X 106W/cm2之前，屬于熱傳與過程，即焊接類型為熱 與焊，而在該臨界點（閾值）后，熔池 深寬比增大，這時焊接類型為深熔焊。5.1.2 鋁合金6061焊接實驗現象及結果表3 CO 2焊接6061鋁合金熔深、熔寬與功率(功率密度)的實驗數據及實驗現象編號功率(w)功率密度(w/cm

23、2)實驗現象熔深/mm熔寬/mm110001624854黃光，光點很小， 無飛濺00212001949825黃光，光點很小， 無飛濺00.14314002274795黃光，光點較大, 無飛濺00.17416002599766先黃光，后綠光， 無飛濺00.2518002924737黃光、綠光間雜 出現，無飛濺00.29620003249708黃光、綠光間雜 出現，開始有H濺00.29722003574678出現綠光，飛濺 較多00.29824003899649出現綠光，后消 失，飛濺逐 漸增多2.112.2926004224620出現綠光，后消 失，飛濺逐漸增多2.142.23102800454

24、9591瞬間綠光，后為 黃光，飛濺 增多2.292.631130004874561綠光，后黃光變 強，飛濺增多2.42.711233005362017綠光，后黃光變 強，飛濺增多2.712.711335005686988黃色亮光更強有 火花，飛濺增多3.032.943.5CO2激光器焊接6061鋁合金熔深/mm一熔寬/mm圖9熔深，熔寬與功率的關系曲線功率（W）C02激光器焊接6061鋁合金圖10熔深，熔寬與功率密度的關系曲線EE 寬 篩 深熔系列1系列2功率密度（W/cm2 ）在對鋁合金6061 的焊接中，由表3, 圖 9、 10 知，激光功率在 1000W2200V 的 七個焊接點時，熔深

25、熔寬較小，表面僅有細微變化，在激光功率為 22002400W功率密度為3.575 X 106W/cm3.900 X 106 W/c八時,熔深、熔寬有了大幅度提升（突 變）可見閾值范圍在 3.900 X 106 W/crm 附近，即閾值之前為熱導焊、閾值之后 為深熔焊。在激光功率為2200W3500W 功率密度為3.575 X 106 W/cn25.687 X 106 W/cm2時，熔深熔寬的深度及寬度增長，即在一定條件范圍內，隨著功率的增加， 焊接深度增加。5.2 YAG 激光器 316L 不銹鋼焊接實驗5.2.1 45# 低碳鋼鋼焊接表 4 固體 Nd: YAG 激光器焊接316L 不銹鋼熔

26、深，熔寬與功率（功率密度 ） 的實驗數據編號功率(W)功率密度(W/cm 2)實驗現象熔深(mm)熔寬(mm)1400141471.0605黃色亮點0.20.8571432500176838.8257亮點漸漸變亮0.20.7142863600212206.5908亮點變亮0.2571430.8285714700247574.3559亮點變亮0.2857140.85800282942.1211亮點變亮0.4142860.86900318309.8862亮點變亮0.4857140.84285771000353677.6513亮點變亮0.5571430.88571481100389045.4164亮

27、點變亮0.60.88571491200424413.1816亮點變亮0.6857140.9101300459780.9467亮點變亮0.8285710.9111400495148.7118亮點變亮1.8571431.35714321.81,61.41.210.80.60.40.2400600 圖11 800 ,熔寬與1000勺關系曲線200140016000121500530516.477亮點變亮1.9714291.4285710 III_I1Ir IFr 1I1r I10 1215 17 2022 252730 3235 3740 4245 4750 5255 57,5,5.5,5.5.5.

28、5.5.5,5萬圖12熔深，熔寬與功率密度的關系曲線在實驗過程中可以觀察到：隨著激光功率的增加，光線逐漸變亮，伴隨煙塵，藍光的產生，并且聲音逐漸增大。但焊接的整個過程中均無飛濺的產生。從表4,圖11中我們可以看出，功率在增加過程中，焊接的熔深、熔寬均隨之增加。如圖 11、12所示, 當激光加工功率在1300W1400V功率密度為0.460 X 106W/crn0.495 X 106W/cm）之 問時，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，因此我們推算功率的閾值約1300W1400V中間值1350W左右，功率 密度閾值約為0.478 X 106W/cnm左右。即在臨界點之

29、前可認為焊接類型為熱與焊，之后為深熔焊。5.2.2 鋁合金6061焊接固體Nd: YAG激光器焊接6061鋁合金無實驗數據，實驗過程現象如表5所示編號激光功率（W實驗現象1600焊縫、火田小，亮點小，無飛濺，無聲音2800焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音31000焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音41200焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音51400焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音61600焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，無飛濺，無聲音71800焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，細小飛濺，無聲音82000焊縫增寬、火苗增大，亮點增大，細小飛濺，無聲音因沒有

30、切割和分析試樣，焊接的深度，寬度隨功率變化的數據沒有，也就沒有他們之間的曲線關系。但理論上，整個過程均沒有出現深熔焊，即均為熱與焊,且隨著激光功率的增加，熔深和熔寬應該會有小幅度的提升或變化。六、實驗結論通過對四次實驗數據的分析和對比，我們得到以下結論：1、在任何一種焊接方式下，隨著激光功率（功率密度）的增加（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相關。其中在達到某一特定功率密度時，焊縫的尺寸會大幅度增加，深寬比也顯著增大，我們認為此時的功率密度即為熱與焊向深熔焊轉變的閾值。2、由于材料本身的性質，如粗糙度、對波長吸收率等特性，不同類型的金 屬焊接的結果也有

31、所不同。如在本次實驗中，鋁合金對激光的吸收率較之45#低碳鋼較低，一方面由于鋁合金對激光的反射較強導致吸收率下降，另一方面則由于鋁合金比45#低碳鋼更容易產生等離子體屏蔽的現象。3、因受到光束質量的影響，CO激光器的聚焦光斑尺寸比 YA （激光器要小，因此 相同功率時前者的功率密度較大，所以 CO激光器焊接質量要優于YAG光束質量測量方法實驗目的1、了解測量光束質量的方法2、掌握基于空心探針測量原理的 PROMETE公司的LASERSCOPE UFF100 大 功率光束光斑質量檢測儀的使用方法。實驗原理采用基于空心探針測量原理的 PROMETE公司的LASERSCOPE UFF1 大功率 光 束光斑質量檢測儀測量大功率 CO激光器的光束質量。如圖13所示是空心探針探測法測量原理，這一方法過去是作為大功率激光光束光斑質量檢測而提出的。由一個定速電機帶動空心探針轉動，探針一端有一個 微孔，探針轉動