激光焊接實驗報告匯總

1、激光先進(jìn)制造實驗實驗報告激光焊接實驗報告實驗?zāi)康?、理解激光焊接的基本原理及特點(diǎn)，熟悉運(yùn)用激光進(jìn)行金屬焊接的具體過程。2、觀察 CO2 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(jī) 理。3、掌握激光焊接機(jī)床及機(jī)械手的基本操作步驟和方法，能夠進(jìn)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(xiàn)象，測量熔深、熔寬，并對焊接 結(jié)果進(jìn)行合理分析。5、了解激光焊接的應(yīng)用。二、實驗原理2.1 激光焊接原理激光焊接采用連續(xù)或脈沖激光束實現(xiàn)， 激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接 和激光深熔焊接。功率密度小于 104 105 W/cm2 為熱傳導(dǎo)焊，此時熔深淺、焊接 速度慢；功率密度

2、大于 105 10 7W/cm2 時，金屬表面受熱作用下凹成“孔穴”， 形成深熔焊，具有焊接速度快、深寬比大的特點(diǎn)。圖1 是 CO2 激光器焊接結(jié)構(gòu)圖。圖1 CO 2 激光器焊接結(jié)構(gòu)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(fā)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(xiàn)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(dāng)激光功率密度小于 104W/cm2數(shù)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(fā)生熔化。 當(dāng)功率 密度在大于104W/cm2小于106W/cm2數(shù)量級范圍內(nèi)時，金屬料表層發(fā)生熔化。 功率密 度達(dá)到 106W

3、/cm2數(shù)量級時，材料表面在激光束的作用下發(fā)生氣化，在氣化反沖壓 力的作用下， 液態(tài)熔池向下凹陷形成深熔小孔。 同時， 伴隨有金屬蒸汽電離形成 光致等離子體的現(xiàn)象。當(dāng)功率密度大于 107W/cm2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(tuán)，出現(xiàn)等離子體對激光的屏蔽現(xiàn)象。激光先進(jìn)制造實驗實驗報告圖 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(jù)是否產(chǎn)生小孔效應(yīng)可以把激光焊接分為兩種模式， 即熱導(dǎo)焊模式和深熔 焊模式。2.2.1 、 激光熱傳導(dǎo)焊接激光加熱加工表面， 表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散， 通過控制激光脈沖的 寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等激光

4、參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池， 如圖3（ a）所示。當(dāng)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(fā)生突變。 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(tài)有關(guān)， 而主要取決小孔效應(yīng)和等離子體與激光的相互作用等因 素，此時焊接模式由熱導(dǎo)焊接轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆附印?.2.2 、 激光深熔焊接激光深熔焊接一般采用連續(xù)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(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。在足夠高的功 率密度激光照射下， 材料產(chǎn)生蒸發(fā)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(nèi)平衡溫度達(dá)

5、 2500°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(nèi)充滿在光 束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽， 小孔四壁包圍著熔融金屬， 液態(tài)金 屬四周包圍著固體材料 （而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊接中， 能量首先 沉積于工件表面， 然后靠傳遞輸送到內(nèi)部） ?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與 孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動態(tài)平衡。 光束不斷進(jìn)入小孔， 小孔外 的材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說， 小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)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

6、縫于是形成，如圖 3（b）所示。上述過程的 所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)米。a 激光熱導(dǎo)焊示意圖激光先進(jìn)制造實驗實驗報告2.3 激光束自聚焦過程激光束作用金屬材料表面時， 在低功率密度情況下， 金屬材料對激光的吸收 僅發(fā)生在表面很薄區(qū)域內(nèi)， 使表面溫度升高。 當(dāng)激光功率達(dá)到材料蒸發(fā)所需的臨 界功率密度時，金屬表面開始發(fā)生蒸發(fā)。 隨著激光功率密度的升高， 蒸發(fā)產(chǎn)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，導(dǎo)致激光束輻照在熔池上的入射角發(fā)生改變， 凹陷的熔池使入射激光經(jīng)反射后匯聚于熔池底部， 更高的功率密度促

7、使熔池底部 金屬蒸發(fā)加劇，產(chǎn)生的反沖壓力升高， 促使熔池進(jìn)一步下陷。 當(dāng)材料的蒸發(fā)壓力 達(dá)到某一臨界值時， 蒸汽產(chǎn)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(shù)激光焊的主要工藝參數(shù)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(diǎn)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(dá)到或超過此值， 熔深會大幅度提高。 只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過閾 值，等離子體才會產(chǎn)生， 這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。 如果激光功

8、率低于此閾值， 工件僅發(fā)生表面熔化， 也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。 而當(dāng)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(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接過程， 導(dǎo) 致熔深波動很大。在傳導(dǎo)型激光焊接中，功率密度在范圍在 104106W/cm2，在激 光深熔焊接的功率密度在 1081010W/cm2。激光先進(jìn)制造實驗實驗報告2.4.2 激光脈沖波形當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面， 金屬表面將會有 6098%的激光能量反射而損 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(nèi)， 金屬反射率的變 化很大。2.4.3 激光脈沖寬度 脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一， 它既是區(qū)別于材料去除和材料熔化

9、的 重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價及體積的關(guān)鍵參數(shù)。圖 5 激光束的離焦量定義2.4.4 離焦量 激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過 高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)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(fù)離焦。在實際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時，采用負(fù)離焦； 焊接薄材料時，宜用正離焦。如圖 5所示。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、熱導(dǎo)率、 熔化溫度、蒸發(fā)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(shù)， 經(jīng)過對材料拋光表面的吸收率測 量發(fā)現(xiàn)

10、，材料吸收率與電阻系數(shù)的平方根成正比，而電阻系數(shù)又隨溫度而變化； 其次，材料的表面狀態(tài)（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(chǎn)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 和金屬的直流電阻率 存在如下關(guān)系：A 0.365。從圖6中得：固體金屬表面對激光的反射性較強(qiáng)，這是因為金屬 對激光的吸收主要是通過大量自由電子的帶間躍遷實現(xiàn)的， 自由電子受光波中強(qiáng) 烈的電磁波的影響強(qiáng)迫振動而產(chǎn)生次波， 次波又造成強(qiáng)烈的反射波和比較弱的透 射波。因此，金屬的電導(dǎo)率越高，其反射率也越高。激光先進(jìn)制造實驗實驗報告圖 6 室溫下不同金屬對不同波長激光的吸收率2.4.5.

11、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(guān)系可由下面的公式描述：A(T ) = A 0 +r (T -T0 ) ，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(dāng)金屬溫度達(dá)到熔點(diǎn)產(chǎn)生熔融和氣化 后，吸收率上升到 4050%；當(dāng)接近沸點(diǎn)時吸收率可高達(dá) 90%，激光功率越大、作 用時間越長，金屬的吸收率越高。2.4.5.3 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(dāng)粗化表面微觀不平度達(dá) 到波長量級左右時，材料對激光的吸收率變

12、化較大。但隨著溫度的升高， 這種現(xiàn) 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(dǎo)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(yīng)速度值時可獲得最大熔深。2.4.7 保護(hù)氣體保護(hù)氣體的作用：、 激光焊接過程常使用惰性氣體來保護(hù)熔池，當(dāng)某些材料焊接可不計較表面 氧化時則也可不考慮保護(hù)，但對大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、 氮等氣體作保 護(hù)，使工件在焊接過程中免受氧化。、 保護(hù)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

13、護(hù)透鏡則更為必要。、 驅(qū)散高功率激光焊接產(chǎn)生的等離子屏蔽。金屬蒸汽吸收激光束電離成等離激光先進(jìn)制造實驗實驗報告子云，金屬蒸汽周圍的保護(hù)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 增加電子的復(fù)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(fù)合速率越高；另一方面，只有電離能高的保護(hù)氣體，才不致因氣體本身 的電離而增加電子密度。從表可知， 等離子體云尺寸與采用的保護(hù)氣體不同而變化，氦氣最小，氮?dú)?次之，使用氬氣時最大。等離子體尺

14、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(hù)氣體不同密度引起金屬蒸汽 擴(kuò)散差別。三、實驗設(shè)備和實驗材料3.1 實驗設(shè)備及其參數(shù)3.1.1 CO 2 激光器焊接系統(tǒng)Rofin Slab DC035 CO2激光器。配備六軸聯(lián)動激光三維加工系統(tǒng) （ARNOLD，） 參數(shù)如下：波長 焦距 f脈沖最大光束焦斑頻率功率模式直徑加工范圍10.6 m300mm05 kHz3500WTEM 000.286 mm3000mm× 2000mm×1000mm× ±120o×n360o×n360o3.1.2 Nd ：

15、 YAG 激光器焊接系統(tǒng)Rofin CW025 YAG激光器。配備五軸聯(lián)動機(jī)械手，參數(shù)如下：波長 焦距 f脈沖頻率最大功率光纖長度焦斑直徑10.6 m120mm0 1kHz2500W10m0.29mm3.2 實驗材料CO2 激光器焊接： 45#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%硝酸、 10% NaOH溶 液。四、實驗方法4.1 焊接實驗激光先進(jìn)制造實驗實驗報告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(xiàn)想象及結(jié)果。實驗過 程中仔

16、細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，如激光焊接時的顏色、 聲音和產(chǎn)生的火花現(xiàn)象。 實驗過 程中嚴(yán)格記錄實驗數(shù)據(jù)、實驗現(xiàn)象， 由于兩種激光對人眼均有傷害， 實驗過程中 必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)安全守則。4.2 實驗過程及實驗結(jié)果4.2.1 CO 2激光器焊接實驗用3500W 的CO2 激光器對 45#低碳鋼， 6061 鋁合金進(jìn)行焊接，焊接過程都采 用He氣保護(hù)，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 3500W，共選取 11個功率點(diǎn)進(jìn)行焊接。 將實驗 現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記入表 2，激光功率

17、 / 功率密度與熔深、熔寬的關(guān)系見圖 7、8。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(diǎn)進(jìn)行焊接。將實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記入表 3，激光功率 /功率密度與熔深、 熔寬的 關(guān)系見圖 9、10。4.2.2 YAG 激光器 316L不銹鋼焊接實驗用2500W的 YAG激光器對 45#低碳鋼進(jìn)行焊接，根據(jù)試樣規(guī)格對機(jī)械手進(jìn)行調(diào) 試，設(shè)定焊接實驗程序。保護(hù)氣體采用 4bar的Ar 氣，焊接速度為 2m/min。采用 F=120mm透鏡，光斑為 0.6mm.焊接過程中先通保護(hù)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(hù)眼鏡。A、

18、316L不銹鋼焊接焊接功率從 600W逐漸變化到 1600W，共 11個功率點(diǎn)。將實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記入 表4，激光功率 / 功率密度與熔深、熔寬的關(guān)系見圖 11、12。B、鋁合金 6061焊接焊接功率從 600W逐漸變化到 1200W。將實驗現(xiàn)象記入表 5。4.3 金相分析實驗選取適當(dāng)位置切割試樣， 并進(jìn)行研磨、腐蝕， 之后在光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)記錄數(shù)據(jù)。實驗過程：選取適當(dāng)位置在切割機(jī)上進(jìn)行切割， 在本次實驗中對每一塊試樣進(jìn)行兩次切 割，并選取 34 個截面進(jìn)行細(xì)致研磨，將磨好后的試樣進(jìn)行腐蝕，其中 45#低碳 鋼選擇 5%硝酸、酒精混合溶液，鋁合金

19、采用 NaOH溶 液，腐蝕時間大概 15min。 試樣處理好后， 在光學(xué)顯微鏡下對焊縫的熔寬、 熔深及焊縫中的宏觀缺陷進(jìn)行測 量，將各組實驗數(shù)據(jù)記錄并整理記入表 2、3、4。五、實驗結(jié)果及分析nn135n 計算不同功knX 由測量中采用 35 格為 1mm，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用公式激光先進(jìn)制造實驗實驗報告率情況下熔深、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(diǎn)下的格子數(shù)，為 n測量點(diǎn)的數(shù)目功率轉(zhuǎn)化為功率密度的公式為：sp2r，其中 S 為功率密度，P 為激光功率，r 為光斑半徑。利用 excel 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(guān)系曲線（以激光器的功

20、率（功率密度）為橫坐標(biāo)，試樣的熔深和 熔寬的長度為縱坐標(biāo)），通過觀察曲線中熔深和熔寬的變化，確定閾值范圍，進(jìn) 而進(jìn)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(xiàn)象，結(jié)果及分析：表2 CO2 焊接45#低碳鋼熔深、熔寬與功率（功率密度）的實驗數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象編 號激光 功率 （W）功率密度2（W/cm2）實驗現(xiàn)象熔深（ mm）熔寬（ mm）1500812427微弱黃光 , 無飛 濺0.310.492600974912黃光, 無飛濺0.740.4937001137398先黃光，后藍(lán)白 光 , 開始有飛濺0.910.6948001245282藍(lán)白光 , 飛濺 開始增

21、多1.20.6959001462368藍(lán)白光 , 飛濺 增多1.460.77610001624854先藍(lán)白光， 后白 光 , 飛濺增多1.740.77715002437281先藍(lán)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(qiáng)烈白光 , 飛 濺消失4.571.231135005686988強(qiáng)烈白光 , 產(chǎn) 生氣團(tuán)51.34激光先進(jìn)制造實驗實驗報告CO2激光器焊接 45#不銹鋼2000 功率（ W）654321mm（寬熔/深熔熔深（ mm）熔寬（ mm）4000

22、圖 7 熔深、熔寬與功率的關(guān)系曲線CO 2激光器焊接 45#不銹鋼2000000 4000000 6000000功率密度（ W/cm2 ）6 5 4 3 2 1 ）m （寬熔/深熔熔深（ mm）熔寬（ mm）圖8 熔深、熔寬與激光功率的關(guān)系曲線從表 2 中及圖 7、8 中可以看出在保護(hù)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(fā)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(xiàn)光致等離子體，同時聲音也逐 漸增大，飛濺增強(qiáng)，光亮加深，光亮刺眼更強(qiáng)且刺眼體積部分變大。當(dāng)激光功 率密度小于 600W（功率密度為 9.7 

23、5;105W/cm2） ，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(fā)生熔化。功率密度到達(dá)700W（功率密度為 1.137 × 106W/cm2） 時，曲線變化加快，材料表面在激光束的輻照下發(fā)生 氣化，在氣化反沖壓力的作用下，液態(tài)熔池向下凹陷形成深熔小孔，熔深、熔 寬較之 600W 的焊接點(diǎn)有顯著提高，即發(fā)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(jù)激光焊接模式原理，我們 得知在功率密度為 1.137×106 W/cm2 之前，屬于熱傳導(dǎo)過程，即焊接類型為熱 導(dǎo)焊，而在該臨界點(diǎn)（閾值）后，熔池深寬比增大，這時焊接

24、類型為深熔焊。5.1.2 鋁合金 6061 焊接實驗現(xiàn)象及結(jié)果激光先進(jìn)制造實驗實驗報告表3 CO2焊接 6061鋁合金熔深、熔寬與功率（功率密度）的實驗數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象編號功率（ w）功率密度 （ w/cm2）實驗現(xiàn)象熔深 /mm熔寬 /mm110001624854黃光，光點(diǎn)很小，無飛濺00212001949825黃光，光點(diǎn)很 小，無飛濺00.14314002274795黃光，光點(diǎn)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(xiàn)， 無飛 濺00.29620003249708黃光、綠光間 雜出現(xiàn)，開始 有飛濺00.29722

25、003574678出現(xiàn)綠光， 飛 濺較多00.29824003899649出現(xiàn)綠光， 后 消失，飛濺逐 漸增多2.112.2926004224620出現(xiàn)綠光， 后 消失，飛濺逐 漸增多2.142.231028004549591瞬間綠光， 后 為黃光， 飛濺 增多2.292.631130004874561綠光，后黃光 變強(qiáng)，飛濺增 多2.42.711233005362017綠光，后黃光 變強(qiáng)，飛濺增 多2.712.711335005686988黃色亮光更 強(qiáng)有火花， 飛 濺增多3.032.94激光先進(jìn)制造實驗實驗報告CO2激光器焊接 6061鋁合金） m m （ 寬深 熔功率（ W）熔深/mm熔

26、寬/mm圖 9 熔深，熔寬與功率的關(guān)系曲線CO2激光器焊接 6061鋁合金3.5）mm（寬熔/深熔32.521.510.50-0.5 02000000 4000000 6000000系列1系列2功率密度（ W/cm2 ）圖10 熔深，熔寬與功率密度的關(guān)系曲線在對鋁合金 6061 的焊接中，由表 3，圖9、10 知，激光功率在 1000W2200W的 七個焊接點(diǎn)時，熔深熔寬較小，表面僅有細(xì)微變化，在激光功率為 22002400W、 功率密度為 3.575×106W/cm23.900×106 W/cm2時，熔深、熔寬有了大幅度提升 （突 變），可見閾值范圍在 3.900 

27、15;106 W/cm2 附近，即閾值之前為熱導(dǎo)焊、閾值之后 為深熔焊。在激光功率為 2200W3500、W功率密度為 3.575 ×106 W/cm25.687×106 W/cm2時，熔深熔寬的深度及寬度增長，即在一定條件范圍內(nèi)，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 不銹鋼熔深，熔寬與功率 （ 功率密度 ）的實驗數(shù)據(jù)激光先進(jìn)制造實驗實驗報告編號功率(W)功率密度(W/cm 2)實驗現(xiàn)象熔深 (mm)熔寬 (mm)1400141471.0605黃色亮點(diǎn)0

28、.20.8571432500176838.8257亮點(diǎn)漸漸變 亮0.20.7142863600212206.5908亮點(diǎn)變亮0.2571430.8285714700247574.3559亮點(diǎn)變亮0.2857140.85800282942.1211亮點(diǎn)變亮0.4142860.86900318309.8862亮點(diǎn)變亮0.4857140.84285771000353677.6513亮點(diǎn)變亮0.5571430.88571481100389045.4164亮點(diǎn)變亮0.60.88571491200424413.1816亮點(diǎn)變亮0.6857140.9101300459780.9467亮點(diǎn)變亮0.828571

29、0.9111400495148.7118亮點(diǎn)變亮1.8571431.357143121500530516.477亮點(diǎn)變亮1.9714291.428571400600800 1000 1200 1400 1600圖 11 熔深，熔寬與功率的關(guān)系曲線10激光先進(jìn)制造實驗實驗報告圖12 熔深，熔寬與功率密度的關(guān)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(lán)光的產(chǎn)生，并且聲音逐漸增大。 但焊接的整個過程中均無飛濺的產(chǎn)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(dāng)激光加工功率在 1300W1400（

30、W功率密度為 0.460 ×106W/cm20.495 ×106W/cm2）之間時，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 1300W1400W中 間值 1350W 左右，功率 密度閾值約為 0.478 ×106W/cm2 左右。即在臨界點(diǎn)之前可認(rèn)為焊接類型為熱導(dǎo)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(shù)據(jù)，實驗過程現(xiàn)象 如表 5 所示編號激光功率（ W）實驗現(xiàn)象1600焊縫、火苗小，亮點(diǎn)小，無飛濺，無聲音2800焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，無飛

31、濺，無聲音31000焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，無飛濺，無聲音41200焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，無飛濺，無聲音51400焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，無飛濺，無聲音61600焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，無飛濺，無聲音71800焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，細(xì)小飛濺，無聲音82000焊縫增寬、火苗增大，亮點(diǎn)增大，細(xì)小飛濺，無聲音因沒有切割和分析試樣， 焊接的深度，寬度隨功率變化的數(shù)據(jù)沒有，也就沒 有他們之間的曲線關(guān)系。 但理論上，整個過程均沒有出現(xiàn)深熔焊， 即均為熱導(dǎo)焊， 且隨著激光功率的增加，熔深和熔寬應(yīng)該會有小幅度的提升或變化。11激光先進(jìn)制造實驗實驗報告六、實驗結(jié)論通過對四次實驗

32、數(shù)據(jù)的分析和對比，我們得到以下結(jié)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(guān)。其 中在達(dá)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(rèn)為此時的功率密度即為熱導(dǎo)焊向深熔焊轉(zhuǎn)變的閾值。2、由于材料本身的性質(zhì)，如粗糙度、對波長吸收率等特性，不同類型的金屬焊接的結(jié)果也有所不同。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(qiáng)導(dǎo)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(chǎn)生等離子體屏蔽的現(xiàn)象。3、因受到光束質(zhì)量的影響， CO2激光器的聚焦光斑尺寸比 YAG激光器要小， 因此相同功率時前者的功率密度較大，所以 CO2激光器焊接質(zhì)量要優(yōu)于 YAG。光束質(zhì)量測量方法實驗?zāi)康?、了解測量光束質(zhì)量的方法2、掌握基于空心探針測量原理的 PROMETE公C 司的 LASERSCOPE UFF100 大功率光束光斑質(zhì)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C 司的LASERSCOPE UFF10大0功 率 光束光斑質(zhì)量檢測儀測量大功率 CO2 激光器的光束質(zhì)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