激光焊接试验报告讲解.docx
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激光焊接试验报告讲解
激光先进制造实验》实验报告
激光焊接实验报告
实验目的
1、理解激光焊接的基本原理及特点，熟悉运用激光进行金属焊接的具体过程。
2、观察CO2与YAG两种激光器的焊接过程，理解其焊接方式的条件及形成机理。
3、掌握激光焊接机床及机械手的基本操作步骤和方法，能够进行简单的焊接操作。
4、掌握金相测量方法，观察和记录焊接实验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进行合理分析。
5、了解激光焊接的应用。
二、实验原理
2.1激光焊接原理
激光焊接采用连续或脉冲激光束实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。
功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。
图1是CO2激光器焊接结构
图。
图1CO2激光器焊接结构图在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，材料表面会发生一系列变化，其包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体。
不同功率密度激光焊接金属材料时的主要过程如图2所示。
当激光功率密度小于104W/cm2数量级时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。
当功率密度在大于104W/cm2小于106W/cm2数量级范围内时，金属料表层发生熔化。
功率密度达到106W/cm2数量级时，材料表面在激光束的作用下发生气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔。
同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。
当功率密度大于107W/cm2时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传输，形成等离子体云团，出现等离子体对激光的屏蔽现象。
激光先进制造实验》实验报告
图2不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程
2.2激光焊接模式
根据是否产生小孔效应可以把激光焊接分为两种模式，即热导焊模式和深熔焊模式。
2.2.1、激光热传导焊接
激光加热加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池，如图3（a）所示。
当焊接熔池在金属蒸汽反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小孔后，材料对激光的吸收将发生突变。
材料的吸收率将不再仅与激光波长、金属特性和材料表面状态有关，而主要取决小孔效应和等离子体与激光的相互作用等因素，此时焊接模式由热导焊接转变为深熔焊接。
2.2.2、激光深熔焊接
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。
在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。
这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500°C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。
小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。
孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。
光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。
也就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成，如图3（b）所示。
上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。
激光先进制造实验》实验报告
2.3激光束自聚焦过程
激光束作用金属材料表面时，在低功率密度情况下，金属材料对激光的吸收仅发生在表面很薄区域内，使表面温度升高。
当激光功率达到材料蒸发所需的临界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。
随着激光功率密度的升高，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，熔池表面的曲率半径将减小，如图4所
示。
由于熔池表面下陷，形成凹坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生改变，凹陷的熔池使入射激光经反射后汇聚于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金属蒸发加剧，产生的反冲压力升高，促使熔池进一步下陷。
当材料的蒸发压力达到某一临界值时，蒸汽产生的反冲压力使下陷的熔池陡然形成小孔，焊接深度跳跃式增长，材料对激光的吸收率将急剧增加，形成激光深熔焊接。
2.4激光焊接的工艺参数
激光焊的主要工艺参数包括脉冲能量、脉冲宽度（脉宽）、脉冲形状、功率密度以及离焦量或焦点位置等。
2.4.1功率密度对于不同的激光焊接，存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。
只有当工件上的激光功率密度超过阈值，等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。
如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。
而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。
在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/cm2，在激光深熔焊接的功率密度在108~1010W/cm2。
激光先进制造实验》实验报告
2.4.2激光脉冲波形
当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化，在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。
2.4.3激光脉冲宽度脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。
2.4.4
图5激光束的离焦量定义
离焦量激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。
离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。
离焦方式有两种：
正离焦与负离焦。
在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。
如图5所示。
2.4.5材料吸收值
材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。
影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：
首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。
2.4.5.1波长对吸收率的影响
金属的吸收率A与激光波长λ和金属的直流电阻率ρ存在如下关系：
A0.365
。
从图6中得：
固体金属表面对激光的反射性较强，这是因为金属对激光的吸收主要是通过大量自由电子的带间跃迁实现的，自由电子受光波中强烈的电磁波的影响强迫振动而产生次波，次波又造成强烈的反射波和比较弱的透射波。
因此，金属的电导率越高，其反射率也越高。
激光先进制造实验》实验报告
图6室温下不同金属对不同波长激光的吸收率
2.4.5.2温度对吸收率的影响随着温度升高，在激光作用下金属的吸收率与温度的关系可由下面的公式描
述：
A（T）=A0+r（T-T0），从理论上，材料对激光的吸收率随温度的升高而增大，金属材料在室温下的吸收率都比较小，当金属温度达到熔点产生熔融和气化后，吸收率上升到40~50%；当接近沸点时吸收率可高达90%，激光功率越大、作用时间越长，金属的吸收率越高。
2.4.5.3表面粗糙度对吸收率的影响材料的表面状况如：
粗糙度、氧化层和缺陷等对激光的反射率影响很大。
因此增大材料表面粗糙度可以提高材料对激光的吸收率。
当粗化表面微观不平度达到波长量级左右时，材料对激光的吸收率变化较大。
但随着温度的升高，这种现象将减少，甚至为零。
2.4.6焊接速度
焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。
所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。
2.4.7保护气体
保护气体的作用：
ⅰ、激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。
ⅱ、保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射。
特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。
ⅲ、驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽。
金属蒸汽吸收激光束电离成等离
激光先进制造实验》实验报告
子云，金属蒸汽周围的保护气体也会因受热而电离。
如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。
等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。
通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。
中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。
从表可知，等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。
等离子体尺寸越大，熔深则越浅。
造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸汽扩散差别。
三、实验设备和实验材料
3.1实验设备及其参数
3.1.1CO2激光器焊接系统
RofinSlabDC035——CO2激光器。
配备六轴联动激光三维加工系统（ARNOLD，）参数如下：
波长λ
焦距f
脉冲
最大
光束
焦斑
频率
功率
模式
直径
加工范围
10.6μm
300mm
0～5kHz
3500W
TEM00
0.286mm
3000mm×2000mm×1000mm×±120o×n360o×n360o
3.1.2Nd：
YAG激光器焊接系统
RofinCW025——YAG激光器。
配备五轴联动机械手，参数如下：
波长λ
焦距f
脉冲频率
最大功率
光纤长度
焦斑直径
10.6μm
120mm
0～1kHz
2500W
10m
0.29mm
3.2实验材料
CO2激光器焊接：
45#低碳钢（6mm厚），6061铝合金Nd:
YAG激光器焊接：
316L不锈钢，6061铝合金。
金相：
5%硝酸、10%NaOH溶液。
四、实验方法
4.1焊接实验
激光先进制造实验》实验报告
焊接方式采取平板焊接方式，焊接过程中依次增大激光器功率，对比不同的金属材料（低碳钢，铝合金）在不同功率下对焊接过程实现想象及结果。
实验过程中仔细观察实验现象，如激光焊接时的颜色、声音和产生的火花现象。
实验过程中严格记录实验数据、实验现象，由于两种激光对人眼均有伤害，实验过程中必须严格遵守相应安全守则。
4.2实验过程及实验结果
4.2.1CO2激光器焊接实验
用3500W的CO2激光器对45#低碳钢，6061铝合金进行焊接，焊接过程都采用He气保护，气体流量15L/min，用焦距300mm透镜聚焦将光斑汇聚到280um，正离焦焊接，焊接速度为2m/min。
A、45#低碳钢钢焊接
将功率从500W开始逐步增加至3500W，共选取11个功率点进行焊接。
将实验现象及数据记入表2，激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图7、8。
B、铝合金6061焊接功率从1200W开始逐步增加至3500W，共选取13个功率点进行焊接。
将实验现象及数据记入表3，激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图9、10。
4.2.2YAG激光器316L不锈钢焊接实验
用2500W的YAG激光器对45#低碳钢进行焊接，根据试样规格对机械手进行调试，设定焊接实验程序。
保护气体采用4bar的Ar气，焊接速度为2m/min。
采用F=120mm透镜，光斑为0.6mm.焊接过程中先通保护气体再开光，由于YAG激光对人眼有很大伤害，焊接过程中必须佩戴防护眼镜。
A、316L不锈钢焊接
焊接功率从600W逐渐变化到1600W，共11个功率点。
将实验现象及数据记入表4，激光功率/功率密度与熔深、熔宽的关系见图11、12。
B、铝合金6061焊接
焊接功率从600W逐渐变化到1200W。
将实验现象记入表5。
4.3金相分析实验
选取适当位置切割试样，并进行研磨、腐蚀，之后在光学显微镜下观察焊缝熔宽、熔深及焊缝中的缺陷，选择合适的测量标准记录数据。
实验过程：
选取适当位置在切割机上进行切割，在本次实验中对每一块试样进行两次切割，并选取3~4个截面进行细致研磨，将磨好后的试样进行腐蚀，其中45#低碳钢选择5%硝酸、酒精混合溶液，铝合金采用NaOH溶液，腐蚀时间大概1~5min。
试样处理好后，在光学显微镜下对焊缝的熔宽、熔深及焊缝中的宏观缺陷进行测量，将各组实验数据记录并整理记入表2、3、4。
五、实验结果及分析
kn
n1
35n计算不同功
由测量中采用35格为1mm，根据实验数据，利用公式
激光先进制造实验》实验报告
下的格子数，为n测量点的数目
率，r为光斑半径。
利用excel绘出各焊接条件下熔深、熔宽与激光功率（功率密度）之间的关系曲线（以激光器的功率（功率密度）为横坐标，试样的熔深和熔宽的长度为纵坐标），通过观察曲线中熔深和熔宽的变化，确定阈值范围，进而进行实验分析。
5.1CO2激光器焊接实验
5.1.145#低碳钢钢焊接实验现象，结果及分析：
表2CO2焊接45#低碳钢熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象
编号
激光功率（W）
功率密度
2
（W/cm2）
实验现象
熔深（mm）
熔宽（mm）
1
500
812427
微弱黄光,无飞溅
0.31
0.49
2
600
974912
黄光,无飞溅
0.74
0.49
3
700
1137398
先黄光，后蓝白光,开始有飞溅
0.91
0.69
4
800
1245282
蓝白光,飞溅开始增多
1.2
0.69
5
900
1462368
蓝白光,飞溅增多
1.46
0.77
6
1000
1624854
先蓝白光，后白光,飞溅增多
1.74
0.77
7
1500
2437281
先蓝白光，后白光,飞溅增多
2.6
1
8
2000
3249708
白光,飞溅开始减少
3.54
1
9
2500
4062134
白光,飞溅减少
3.89
1.17
10
3000
4874561
强烈白光,飞溅消失
4.57
1.23
11
3500
5686988
强烈白光,产生气团
5
1.34
激光先进制造实验》实验报告
CO2激光器焊接45#不锈钢
图7熔深、熔宽与功率的关系曲线
CO2激光器焊接45#不锈钢
图8熔深、熔宽与激光功率的关系曲线
从表2中及图7、8中可以看出在保护气体为He，焊接速度保持在2m/min的情况下，随着激光功率密度的提高，45#钢的材料表面会发生一系列变化，包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体，同时声音也逐渐增大，飞溅增强，光亮加深，光亮刺眼更强且刺眼体积部分变大。
当激光功率密度小于600W（功率密度为9.7×105W/cm2），曲线变化比较平缓，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高及表层发生熔化。
功率密度到达700W（功率
密度为1.137×106W/cm2）时，曲线变化加快，材料表面在激光束的辐照下发生气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔宽较之600W的焊接点有显著提高，即发生了跳变，在此之后，随着激光功率的增加，熔深与熔宽之比也有较大幅度的提高。
根据激光焊接模式原理，我们得知在功率密度为1.137×106W/cm2之前，属于热传导过程，即焊接类型为热导焊，而在该临界点（阈值）后，熔池深宽比增大，这时焊接类型为深熔焊。
5.1.2铝合金6061焊接实验现象及结果
激光先进制造实验》实验报告
表3CO2焊接6061铝合金熔深、熔宽与功率（功率密度）的实验数据及实验现象
编号
功率（w）
功率密度（w/cm2）
实验现象
熔深/mm
熔宽/mm
1
1000
1624854
黄光，光点很
小，无飞溅
0
0
2
1200
1949825
黄光，光点很小，无飞溅
0
0.14
3
1400
2274795
黄光，光点较大，无飞溅
0
0.17
4
1600
2599766
先黄光，后绿
光，无飞溅
0
0.2
5
1800
2924737
黄光、绿光间杂出现，无飞溅
0
0.29
6
2000
3249708
黄光、绿光间杂出现，开始有飞溅
0
0.29
7
2200
3574678
出现绿光，飞溅较多
0
0.29
8
2400
3899649
出现绿光，后消失，飞溅逐渐增多
2.11
2.2
9
2600
4224620
出现绿光，后消失，飞溅逐渐增多
2.14
2.23
10
2800
4549591
瞬间绿光，后为黄光，飞溅增多
2.29
2.63
11
3000
4874561
绿光，后黄光变强，飞溅增多
2.4
2.71
12
3300
5362017
绿光，后黄光变强，飞溅增多
2.71
2.71
13
3500
5686988
黄色亮光更强有火花，飞溅增多
3.03
2.94
激光先进制造实验》实验报告
CO2激光器焊接6061铝合金
功率（W）
图9熔深，熔宽与功率的关系曲线
CO2激光器焊接6061铝合金
功率密度（W/cm2）
图10熔深，熔宽与功率密度的关系曲线
在对铝合金6061的焊接中，由表3，图9、10知，激光功率在1000W~2200W的七个焊接点时，熔深熔宽较小，表面仅有细微变化，在激光功率为2200~2400W、功率密度为3.575×106W/cm2~3.900×106W/cm2时，熔深、熔宽有了大幅度提升（突变），可见阈值范围在3.900×106W/cm2附近，即阈值之前为热导焊、阈值之后为深熔焊。
在激光功率为2200W~3500、W功率密度为3.575×106W/cm2~5.687×106W/cm2时，熔深熔宽的深度及宽度增长，即在一定条件范围内，随着功率的增加，焊接深度增加。
5.2YAG激光器316L不锈钢焊接实验
5.2.145#低碳钢钢焊接
表4固体Nd：
YAG激光器焊接316L不锈钢熔深，熔宽与功率（功率密度）的实验数据
激光先进制造实验》实验报告
编号
功率（W）
功率密度
（W/cm2）
实验现象
熔深（mm）
熔宽（mm）
1
400
141471.0605
黄色亮点
0.2
0.857143
2
500
176838.8257
亮点渐渐变亮
0.2
0.714286
3
600
212206.5908
亮点变亮
0.257143
0.828571
4
700
247574.3559
亮点变亮
0.285714
0.8
5
800
282942.1211
亮点变亮
0.414286
0.8
6
900
318309.8862
亮点变亮
0.485714
0.842857
7
1000
353677.6513
亮点变亮
0.557143
0.885714
8
1100
389045.4164
亮点变亮
0.6
0.885714
9
1200
424413.1816
亮点变亮
0.685714
0.9
10
1300
459780.9467
亮点变亮
0.828571
0.9
11
1400
495148.7118
亮点变亮
1.857143
1.357143
12
1500
530516.477
亮点变亮
1.971429
1.428571
10
激光先进制造实验》实验报告
图12熔深，熔宽与功率密度的关系曲线在实验过程中可以观察到：
随着激光功率的增加，光线逐渐变亮，伴随烟尘，蓝光的产生，并且声音逐渐增大。
但焊接的整个过程中均无飞溅的产生。
从表4，图11中我们可以看出，功率在增加过程中，焊接的熔深、熔宽均随之增加。
如图11、12所示，当激光加工功率在1300W~1400（W功率密度为0.460×106W/cm2~0.495×106W/cm2）之间时，焊缝的深度，宽度以及深宽比有大幅度提高，而在此之前的都比较小，因此我们推算功率的阈值约1300W~1400W中间值1350W左右，功率密度阈值约为0.478×106W/cm2左右。
即在临界点之前可认为焊接类型为热导焊，之后为深熔焊。
5.2.2铝合金6061焊接
固体Nd：
YAG激光器焊接6061铝合金无实验数据，实验过程现象如表5所示
编号
激光功率（W）
实验现象
1
600
焊缝、火苗小，亮点小，无飞溅，无声音
2
800
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音
3
1000
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音
4
1200
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音
5
1400
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音
6
1600
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，无飞溅，无声音
7
1800
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音
8
2000
焊缝增宽、火苗增大，亮点增大，细小飞溅，无声音
因没有切割和分析试样，焊接的深度，宽度随功率变化的数据没有，也就没有他们之间的曲线关系。
但理论上，整个过程均没有出现深熔焊，即均为热导焊，且随着激光功率的增加，熔深和熔宽应该会有小幅度的提升或变化。
11
激光先进制造实验》实验报告
六、实验结论
通过对四次实验数据的分析和对比，我们得到以下结论：
1、在任何一种焊接方式下，随着激光功率（功率密度）的增加（其他各条件保持不变），焊缝的熔深与熔宽都随之增大，即焊缝的尺寸与功率成正相关。
其中在达到某一特
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