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《激光先进制造实验》实验报告

激光焊接实验报告
实验目的
1、理解激光焊接的基本原理及特点，熟悉运用激光进行金属焊接的具体过程。
2、观察CO2与YAG两种激光器的焊接过程，理解其焊接方式的条件及形成机理。
3、掌握激光焊接机床及机械手的基本操作步骤和方法，能够进行简单的焊接操作。
4、掌握金相测量方法，观察和记录焊接实验现象，测量熔深、熔宽，并对焊接结果进行合理分析。
5、了解激光焊接的应用。
实验原理
2.1激光焊接原理
激光焊接采用连续或脉冲激光束实现，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104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/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。图1是CO2激光器焊接结构图。

图1CO2激光器焊接结构图
在焊接金属的过程中，随着激光功率密度提高，材料表面会发生一系列变化，其包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现光致等离子体。不同功率密度激光焊接金属材料时的主要过程如图2所示。当激光功率密度小于104W/cm2数量级时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，并没有发生熔化。当功率密度在大于104W/cm2小于106W/cm2数量级范围内时，金属料表层发生熔化。功率密度达到106W/cm2数量级时，材料表面在激光束的作用下发生气化，在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔。同时，伴随有金属蒸汽电离形成光致等离子体的现象。当功率密度大于107W/cm2时，光致等离子体将逆着激光束的入射方向传输，形成等离子体云团，出现等离子体对激光的屏蔽现象。

图2不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程
激光焊接模式
根据是否产生小孔效应可以把激光焊接分为两种模式，即热导焊模式和深熔焊模式。
2.2.1、激光热传导焊接
激光加热加工表面，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、峰值功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池，如图3（a）所示。当焊接熔池在金属蒸汽反冲压力作用下向下凹陷形成深熔小孔后，材料对激光的吸收将发生突变。材料的吸收率将不再仅与激光波长、金属特性和材料表面状态有关，而主要取决小孔效应和等离子体与激光的相互作用等因素，此时焊接模式由热导焊接转变为深熔焊接。
2.2.2、激光深熔焊接
激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料连接，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”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。这个充满蒸汽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°C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。也就是说，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，如图3（b）所示。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。
a激光热导焊示意图b激光深熔焊示意图
图3激光焊接原理图
激光束自聚焦过程
激光束作用金属材料表面时，在低功率密度情况下，金属材料对激光的吸收仅发生在表面很薄区域内，使表面温度升高。当激光功率达到材料蒸发所需的临界功率密度时，金属表面开始发生蒸发。随着激光功率密度的升高，蒸发产生的压力增大，熔池的下陷深度增加，同时，熔池表面的曲率半径将减小，如图4所示。由于熔池表面下陷，形成凹坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生改变，凹陷的熔池使入射激光经反射后汇聚于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金属蒸发加剧，产生的反冲压力升高，促使熔池进一步下陷。当材料的蒸发压力达到某一临界值时，蒸汽产生的反冲压力使下陷的熔池陡然形成小孔，焊接深度跳跃式增长，材料对激光的吸收率将急剧增加，形成激光深熔焊接。

图4激光束自聚焦示意图
激光焊接的工艺参数
激光焊的主要工艺参数包括脉冲能量、脉冲宽度（脉宽）、脉冲形状、功率密度以及离焦量或焦点位置等。
2.4.1功率密度
对于不同的激光焊接，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。只有当工件上的激光功率密度超过阈值，等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔