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。 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 激光焊接系统 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 这个充满金属 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， 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， 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， 缝。激光热导焊的主要原理如下：当功率密度不高于 小孔就以一种动态平 随后冷却并凝固形成焊 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， 法获得的焊缝熔深很小。 因此这种焊接方 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 / 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。 相样品来测量，省略制取金相样品的过程。 其二，直接利用已经做好的金 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， 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。 可以 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 功率/W 熔宽/mm PT 1 300 0.3 0.7 2 400 0.4 1.1 3 500 0.5 1.5 V=15m/mi n 4 600 0.8 1.8 5 700 0.7 1.8 Af =0 6 800 0.7 2.2 7 900 0.8 3 8 1000 0.7 3 熔深/mm 熔宽随功率变化曲线 0 200 400 600 800 1000 1200 熔深随功率变化曲线 3.5
0 \0 I 200 I 400 I 600 I 800 I 1000 I 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
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