材料连接工程实验报告

材料 黄世仁 学号：999999999

激光焊接

一、 实验目的：

1. 了解激光焊接的基本原理；

2. 了解激光焊接设备的组成；

3. 了解激光焊接激光发生器的结构。

二、 实验原理：

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，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104~105 W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107 W/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。 其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，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、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。 用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。下面重点介绍激光深熔焊接的原理。 激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，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”（Key-hole）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。这个充满蒸气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 0C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。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，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。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。

激光深熔焊接的主要工艺参数：

1)激光功率。激光焊接中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。

2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。

3)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。

4)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。图10-2给出了1018钢焊接速度与熔深的关系。

5)保护气体。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。

6)透镜焦距。焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。

激光深熔焊的特征：

1) 高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。

2) 最小热输入。因为小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。

3) 高致密性。因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。

4)强固焊缝。因为炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。

5) 精确控制。因为聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位。激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。

6) 非接触大气焊接过程。因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件。另外，磁和空气对激光都无影响。

三、实验设备

1.激光焊接设备一套；

2.焊接辅助设备一套。

四、实验类容

1.听老师讲解本次试验

2.观察激光焊接的设备组成和激光发生器的结构，并观察激光焊接的实际焊机过程和操作。

五、实验结果与讨论

通过本次实验学习，更进一步的了解了激光焊接的原理和激光焊接的实际过程，也认识了激光焊接的组成和激光发生器的结构，对学习的理论知识有了一定的提升。

激光深熔焊的优点：

1) 由于聚焦激光比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，受热影响区和变形都很小，还可以焊接钛等难焊的材料。

2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊枪、喷嘴，又没有电子束焊接所需的抽真空，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。

3) 由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高。

4) 由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用；另外，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件加工成本。

5) 对光束强度和精细定位能有效控制，容易实现自动化操作。

激光深熔焊的缺点：

1) 焊接深度有限。

2) 工件装配要求高。

3) 激光系统一次性投资较高

第二篇：激光焊接 论文

摘　　要

激光束作为一种高能量密度的热源，由于其潜的优势，使其在焊接领域得到了迅速的发展和应用，已逐渐成为传统焊接技术的补充和发展，对其工艺方法的深入研究可为其在国内的应用建立良好的基础；另一方面，焊接过程是一个高度非线性、多变量耦合，同时具有大量随机不确定因素的复杂过程，而人工神经网络（ANN）由于其具有非线性映射及自学习等特点，使其在焊接领域的研究中与传统方法相比具有一定优势。本文通过对YAG激光深熔焊试验的正交设计和对试验数据的分析，采用人工神经网络的方法，建立网络模型，并且基于MATLAB软件，编程实现了YAG激光深熔焊

的熔深预测和针对不同熔深要求对主要工艺参数的预测

一、激光焊接的主要特性

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，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参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。

激光焊接的主要优点

　　（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

　　（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

　　（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

　　（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

　　（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

　　（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，

　　（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

　　（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

　　（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

　　（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

　　（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属

　　（12）不需真空，亦不需做X射线防护。

　　（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:1

（14）可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

激光焊接的主要缺点

　　（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

　　（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

　　（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

　　（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

　　（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

　　（6）能量转换效率太低，通常低于10%。

　　（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。

　　（8）设备昂贵。

三、激光焊接的工艺参数。

1、功率密度。

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104~106W/CM2。

2、激光脉冲波形。

激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。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。
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。

4、离焦量对焊接质量的影响。

激光焊接通常需要一定的离做文章一，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。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

四、激光焊接工艺方法。

1、片与片间的焊接。

包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。

2、丝与丝的焊接。   

包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。

3、金属丝与块状元件的焊接。

采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

4、不同金属的焊接。

焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。

五、激光钎焊。

有些元件的连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：
1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。

2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。

3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。

4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。

5、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。

6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化

六、激光深熔焊。

1、冶金过程及工艺理论。

激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，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光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。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，液态金属四周即围着固体材料。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，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。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。

2、影响因素。

对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。

3、激光深熔焊的特征及优点。

特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程。

优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。

4、激光深熔焊设备。

激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单地手工搬运和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。

七、钢铁材料的激光焊接。

1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。

总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。
低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。

2、不锈钢的激光焊接。

一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。
3、不同金属之间的激光焊接。
激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢~低碳钢，416不锈钢~310不锈钢，347不锈钢~HASTALLY镍合金，镍电极~冷锻钢，不同镍含量的双金属带。(end)