CO2激光焊接成形实验报告.docx

CO2激光焊接成形实验报告班级：机械93姓名：韵勤柏学号：2009010479实验日期：2012年11月8日实验目的了解激光焊接热导焊和深熔焊两种焊接模式的原理，特别要掌握激光深熔焊的原理。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等对激光焊接焊缝成形的影响规律。测定焦点位置对激光焊接熔化效率的影响曲线。实验内容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，以及激光深熔焊接的焊缝成形特征。利用2kW光纤激光器焊接低碳钢样品，焊后制备焊接横断面的金相试样，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变化规律。测量焊缝断面面积，得到焦点位置对激光焊接熔化效率的影响。实验原理激光焊接是一种利用高能量密度的激光束进行材料连接成形的方法。激光束经聚焦后可达到极高的功率密度，比常规热源的功率密度至少要高出两个数量级，因此激光可以熔化甚至汽化任何材料，可进行局部区域的微细焊接；焊接过程输入的线能量小，因此热影响区和热变形均很小；焊接速度高，可大大提高生产效率；光束易于传输，容易实现焊接自动化。激光焊接系统一般由激光器、光路传输和聚焦系统、工作台组成。常用的大功率激光器主要有两类，一种是以CO2气体作为工作物质的激光器，称CO2激光器，可以输出10.6μm波长的连续或脉冲激光；另一种是以掺钕钇铝石榴石晶体为工作物质的固体激光器，简称Nd: YAG或YAG激光器，可以输出1.06μm波长的连续或脉冲激光。激光焊接可以两种模式进行，一种是基于小孔效应的激光深熔焊，另外是基于热传导方式的激光热导焊。激光深熔焊的原理如下：当功率密度高于5×105W/cm2的激光束照射在金属材料表面时，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离，从而在小孔内部和上方形成等离子体，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小孔壁的多次反射吸收后可达到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臂传递的能量所熔化。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向前移动，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。激光热导焊则是在功率密度低于5×105W/cm2下，基于热传导的焊接方法。由于通常情况下金属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。在激光焊接中，激光功率、焊接速度和焦点位置是影响焊缝成形的主要参数，另外保护气体种类和流量也对焊缝成形产生重要影响。焦点位置是指光束焦点距工件表面的相对距离，定义焦点在工件表面以下为正（称入焦），反之为负（称离焦）。焊缝成形参数主要包括熔深和焊缝宽度，激光焊接时，在同样的激光功率和焊接速度下，不同的焦点位置会影响聚焦光斑大小，从而影响作用在工件表面的激光功率密度，其结果会形成不同深度的小孔甚至不能形成小孔效应，产生不同熔深的焊缝。激光功率和焊接速度直接影响了输入的线能量，会导致焊缝成形的变化。实验步骤全体同学自行分为三组，分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度研究各参数对焊缝成形的影响。具体实验步骤如下：（1）准备低碳钢试样100mm×60mm×3mm若干块，表面用砂纸打磨去锈，并用丙酮清洗干净。在每块试样上划出焊接位置。 （2）焊前调节Ar气流量，轴向气体400L/h。（3）将工件装卡好，启动数控机床并调整焊接喷嘴位置，完成机床编程。（4）严格按照操作规程启动激光器。（5）各组分别通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度，进行激光焊接，得到不同的焊缝，每组分别改变参数5次，保证焊接过程从热导焊变化到深熔焊，总共15条焊缝。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）将试样沿横断面剖开，并制备金相试样，利用显微镜测量焊缝宽度和深度。（8）课后完成实验报告并回答思考题。实验数据与分析实验得到的激光功率P、焦点位置f及焊接速度v对焊缝熔宽和熔深的影响数据如下表所示。表格 1 激光功率P对焊缝成形的影响（f=0，v=1.5m/min）试样编率P/W3004005006007008009001000熔宽/mm0.70.91.01.10.60.60.80.8熔深/mm0.81.21.51.81.92.13.03.0表格 2 焊接速度v对焊缝成形的影响（f=0，P=1000W）试样编度v/(m/min)0.51.01.52.03.04.05.06.0熔宽/mm2.61.51.01.00.70.50.50.4熔深/mm3.