CO2激光焊接成形实验报告
1.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
和焊接速度等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。

2.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，以及激光深熔焊接的焊缝成形特征。

(2)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。

(3)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。

3.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。

4.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。

5.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）
表格2焊接速度v对焊缝成形的影响（f=0，P=1000W）
表格3焦点位置f
表格4焦点位置f
根据以上各表所列数据，可做出如下所示的焊缝熔宽和熔深随激光功率P、焊接速度v 及焦点位置f的变化曲线。

由于焦点位置不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响。

一定的离焦量可以使光斑能量的分布相对均匀，同时也可以获得合适的功率密度。

尽管正负离焦量相等时，相应平面上的功率密度相等，然而，两种情况下所得到的焊点形状却不相同。

负离焦时，小孔内的功率密度比工件表面的高，蒸发更加强烈。

因此，要增大熔深时，可以采用负离焦；而焊接薄材料时，则宜采用正离焦。

在大多数激光焊接场合，通常将焦点位置设置在工件表面下大约所需熔深的1/4处。

激光功率主要影响熔深，当光斑直径保持不变时，熔深随入射光束功率的增加而变大。

在其他条件相同时，高功率激光焊接获得的熔深大。

在维持小孔效应的最低临界焊速下，可得到最大熔深。

分析焊接速度对焊缝成形的影响时，可借助线能量的概念。

线能量是单位长度焊缝接受的激光能量。

焊接速度大时，焊缝的线能量小，因而熔深下降；反之，可以获得较大的熔深。

激光焊接时，要依据材料的热物理性质、接头形式和零件厚度等条件选择焊接速度，应能使材料吸收到足够的激光能量，实现充分的熔化，获得理想的熔深。

6.思考题
（1）激光焊接中的主要参数包括哪些，分别是如何影响焊缝成形的？
答：主要参数包括激光功率、焊接速度和焦点位置。

激光功率增大时，熔深增大。

焊接速度增大时，熔深及熔宽均下降。

当焦点位于工件较深部位时，形成V形焊缝；当焦点在工件以上较高距离（正离焦量大）时，形成“钉头”状焊缝，且熔深减小；而当焦点位于工件表面以下1mm左右时，焊缝截面两侧接近平行。

（2）激光焊接的主要特点是什么，相对传统的焊接方法（如电弧焊），存在何种优势？激光焊又有哪些缺陷和不足？
答：与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点：
（a）聚焦后的激光具有很高的功率密度（105~107W/cm2或更高），焊接以深熔方式进行；由于激光加热范围小（<1mm），在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度高，热输入小，热影响区小，焊接应力和变形小。

（b）激光能发射、投射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可以进行远距离或一些难以接近的部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。

（c）一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，一机多用。

（d）激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料。

（e）可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于陶瓷、有机玻璃等非金属材料的焊接；焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感的材料的焊接。

（f）属于非接触焊接，接近焊区的距离比电弧焊的要求低，焊区材料的疲劳强度比电子束高。

目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍是：激光特别是高功率连续激光器，价格昂贵；对焊件加工、组装、定位要求很高；激光器的电光转换及整体效率很低。

（3）请谈谈对本实验的认识、感想或建议。

答：本实验使我对激光焊接的原理、特点及应用产生了大致了解，也对激光焊接系统的组成产生了感性认识。

实验过程进一步训练了我对金相显微镜的使用能力，并通过亲自测量、分析数据使我对激光功率、焊接速度、焦点位置等参数对焊缝成形的影响产生了认识。