激光焊接实验报告
白生文2011010462 机械13班
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.实验原理
激光焊接系统一般由激光器、光路传输、聚焦系统和工作台组成。
常用的激光器有两种，一种是以CO2气体为工作物质的CO2激光器，可以输出10.6μm波长的连续或脉冲激光；另一种是以掺铷钇铝石榴石晶体为工作物质的固体激光器，简称YAG激光器，可以输出1.06μm波长的连续或脉冲激光。
激光焊接有两种模式，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。
激光热导焊功率密度低于5×105W/cm2，由于金属对激光的反射率较高，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的主要参数。
可以用控制变量法逐个研究各因素对激光焊接焊缝成形的影响。
3.实验内容
1.学习并掌握激光深熔焊的原理，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.利用固体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。
4.实验步骤及现象
4.1实验步骤
①准备低碳钢试样100mm×60mm×3mm若干块；
②将工件装好，开启激光器，完成编程；
③分组通过改变焦点位置、激光功率和焊接速度进行焊接，每组改变参数4到5次，记录实验现象。
④取出试样并观察；
⑤将试样切割，制备金相试样并在显微镜下测量焊缝宽度和熔深（为节省时间，金相试样在实验前已制备）。
4.2实验现象
经观察发现，随着焊接速度变慢和激光功率增加，钢板被熔透程度增加，另外焦点位置越接近钢板表面，钢板越容易被熔透。
5.实验数据分析
实验数据如表1，表2，表3，表4所示，V为焊接速度，f为焦点位置，P为激光功率。
表1，V=1.0m/min，f=0时不同激光功率下的熔深和熔宽
表2，P=1000W，f=0时不同焊接速度下的熔深和熔宽
表3，P=1000W，V=1.5m/min时不同焦点位置下的熔深和熔宽
表4，P =1000W ，V =1.5m/min 时不同焦点位置下的熔深和熔宽
V=1.0m/min ，f=0时熔深和熔宽随激光功率的变化如图1所示。
熔深、
熔宽/m m 功率P/W
图1，熔深和熔宽随激光功率的变化曲线
P=1000W ，f=0时熔深和熔宽随焊接速度的变化如图2所示。
熔深、
熔宽 /m m 焊 接速度V/m/min
图2，熔深和熔宽随焊接速度的变化曲线
V=1.5m/min ，P=1000W 时熔深和熔宽随焦点位置的变化如图3所示。
熔深、
熔宽 /m m 焦点位置f/mm
图3，熔深和熔宽随焦点位置的变化曲线
由图3可以看出焦点位置f 在0到2mm 时熔深最大，熔宽也较大，焊缝质量较好，因此最佳的焦点位置是0到2mm 。
由图1可得随着激光功率增加，熔深和熔宽都增加。
这是因为焊接速度和焦点位置不变时，随激光功率增加，熔池中单位时间内输入的热量增加，因而被熔化的金属也增加，表现为熔深和熔宽增加。
同理，图2显示随焊接速度增加，熔深和熔宽减小。
这是因为当激光功率和焦点位置不变时，随着焊接速度增加，整个焊接过程中输入的总热量减小，表现为熔深和熔宽减小。
6.思考题
1.激光焊接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：影响激光焊接的主要参数有激光功率、焊接速度和焦点位置。
激光功率越大，熔深和熔宽越大；焊接速度越慢，熔深和熔宽越大；焦点位置越靠近金属材料上表面，熔深和熔宽越大，但这也不是绝对的，有时候焦点位置在金属材料上表面往上一点时，也能够得到较好的焊缝。
2.激光焊接的主要特点是什么，相对传统焊接方法（如电弧焊），存在何种优势？激光焊接又存在哪些不足？
答：相对传统焊接方法，激光焊接主要有以下特点：激光焊接功率密度高，可以熔化甚至气化任何材料，可进行局部的细微焊接；焊接过程中输入的线能量小，因此热影响区和热热变形均很小；焊接速度高，可以大大提高生产效率；光束容易传导，易实现焊接自动化。
另外激光焊接也存在以下不足：焊接厚度有局限，适合薄材焊接；对焊接物品对接拼合有要求，缝隙越小越好；对焊接材料也有一定局限性，不锈钢最好焊接，但是像铜材、铝材，反光率高的产品就不适合；产品部件过大也不适合，因为工作平台有限，汽车可以采用机械手焊接，但是投资很大。
3.如何测量或计算激光熔深焊的临界功率密度？
答：固定焊接速度和焦点位置，改变激光功率在试样表面进行扫描焊接，然后采用读数显微
镜测量焊接深度，并绘制出焊接深度与激光功率的对应关系曲线，即可得出相应条件下激光深熔焊接的临界功率，然后对光斑内的功率密度分布进行诊断和分析，以确定激光深熔焊接的临界功率密度。
高斯光束照射半无限体时材料蒸发的临界功率密度（光斑中心最高功率密度）可用下式计算：
I w=
√2πρck(T−T) A∙r F tan−1(√8kt/r F)
式中ρ0，c，k分别是材料的密度、比热和热扩散率；T v和T0为材料的蒸发温度和初始温度；A为材料表面对激光的吸收率；r F为聚焦光斑半径；t为激光作用时间。
4.请谈谈对本实验的认识、感想和建议。
答：之前专题训练做的就是激光熔覆，跟这个实验很类似。
通过该实验对激光焊接有了更进一步的认识。
对于该实验，我有以下几点建议：①在之前参观实验室或其他活动中，激光焊接展柜的内容已经参观过好几次了，所以老师可以略过这部分内容，提高实验效率。
②该实验涉及到得金相制备的过程被省去了，在材料加工系列实验中也没有该内容的训练，老师可以增加这部分的相关实验，让学生学会制样。
我在做专题训练的时候就学过制样，但很多同学都不会制样。