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5
2
510/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/mm
0.7
1.1
1.5
1.8
1.8
2.2
3
3
00.1
0.20.30.40.50.60.7
0.80.90
200
400
600
800
1000
1200
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。
00.5
11.522.53
3.50
200
400
600
800
1000
1200
熔深随功率变化曲线
熔深/mm
