第38卷 第1期中 国 激 光
V ol .38,N o .12011年1月CHINESE JO URNAL OF LASERS
January ,2011
焊接方向对光纤激光-MIG 复合焊接钛合金
焊缝成形的影响
崔 丽 贺定勇 李晓延 蒋建敏 王智慧
(北京工业大学材料学院,北京100124)
摘要 新型光纤激光器具有光束质量好、电光转换效率高、维护费用低、抽运寿命长、可光纤传输及体积小等显著优势,并且由于波长短,几乎可以被大多数的金属和合金吸收,因此可适用于各种材料的焊接和切割,受到工业界广泛的关注。采用光纤激光与惰性气体保护(M IG )电弧复合热源进行了T C4钛合金的焊接工艺试验,研究了激光引导电弧(L L )和电弧引导激光(A L )两种焊接方向对钛合金焊缝表面成形、横截面形貌、熔深、熔宽和余高的影响。试验结果表明,与A L 方向焊接获得的焊缝相比,L L 方向焊接获得焊缝的表面成形较好,焊缝的熔宽较宽,但熔深较小,而改变焊接方向对焊缝的余高影响很小。
关键词 激光技术;焊接工艺;光纤激光-M IG 复合焊接;焊接方向;焊缝成形;钛合金中图分类号 T G456.7 文献标识码 A do i :10.3788/CJL 201138.0103002
Effe cts of Welding Dire ction on We ld Shape of Fibe r Laser -MIG Hybrid Welded Titanium Alloys
Cui Li He Dingyong Li Xiao yan Jiang Jianmin Wang Zhihui
(College of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Technology ,Beijing 100124,China )Abstract With excellent beam qua lity ,high wall -plug efficiency ,low maintenance costs ,long lifetime of pump diodes ,flexible beam delivery and c ompact size ,the new fiber lasers are very at tractive for welding and c utting various kinds of materials in industrial applications since the short wavelength laser beams can be absorbed by almost a ll metals and alloys .Fiber laser -metal inert gas (MIG )hybrid welding is carried out onto TC 4alloy .The effects of laser -leading (LL )and arc -leading (AL )welding direction on top bea d a ppearance ,cross section ,penetration depth ,width and reinforcement of welds a re investigated .The results show that the fiber laser -MIG hybrid welding in LL welding direction lea ds to better top bead appearance ,wider weld width and shallower penetration depth ,than those in AL welding direction .The weld direction has little influence on the reinforcement of the welds .Key wo rds laser technique ;welding processes ;fiber laser -MIG hybrid welding ;welding direction ;weld shape ;titanium a lloys
OCIS co des 140.0140;140.3510;350.0350;350.3390
收稿日期:2010-04-15;收到修改稿日期:2010-07-12
基金项目:航空科学基金(20085475003)和北京市教育委员会科技计划(00900054R5004)资助课题。
作者简介:崔 丽(1972—),女,博士,副研究员,主要从事轻金属材料激光焊接方面的研究。E -mail :cuili @bjut .edu .cn
1 引 言
近年来,光纤激光器以其光束质量好、电-光转换效率高、加工性能好、维护费用低、长抽运寿命及可光纤传输等显著优势,受到广泛的关注,得到了飞速的发展
[1,2]
。单模光纤激光器在波长1.07μm 输
出的激光功率可从几瓦到上千瓦,但通过光纤激光
集聚,可以输出满足工业加工的高功率激光,目前最
高功率可达50kW [2]。光纤激光的波长短,几乎可以被大多数金属和合金吸收,因此高功率光纤激光器适用于各种材料的焊接和切割。
激光-电弧复合热源焊接是将激光焊接和电弧
焊接结合起来,具有焊接效率高、间隙适应性好、焊缝成分和性能可控等优点,正在成为工业生产中最重要的激光焊接方法之一
[35]
,具有广阔的市场应用
中 国 激 光
前景和很强的竞争力,是当前国际上的一项热门技术和研究热点
[6,7]
。但是,由于该焊接方法结合了
激光焊和常规电弧焊两种焊接方法,因此影响焊接过程的因素较多,焊接工艺相对复杂[8]。在焊接工艺参数中,当激光与电弧旁轴复合时,根据激光与电弧的相对位置,形成了两种焊接方向:1)激光在前,电弧在后,称为激光引导电弧(LL )焊;2)电弧在前,称为电弧引导激光(A L )焊[9]。目前国内外针对焊接方向对复合焊接焊缝成形的影响有一定的研究,但是研究的结果却有所不同。一些学者认为,同等焊接工艺参数下,仅改变焊接方向,LL 焊缝的熔深较深[1012]。与此相反,另一些学者认为,AL 焊接时焊缝熔深较深,且这种差异的大小与激光-电弧间距密切相关[1316]
。此外,E .Bey er 等[17]
认为在CO 2激光-MIG 复合焊接时,A L 焊接与LL 焊接的焊缝熔深差别很小。Y .Naito 等[18]认为在YAG 激光-TIG 复合焊接不锈钢过程中,焊接方向对焊缝的熔深没有明显的影响。由上述的文献可以看出,这些争议与CO 2或YAG 激光器的类型及试验材料的差异(低碳钢、不锈钢和铝合金等)无关,而是取决于复合焊接的工艺参数。特别是,上述的文献都只限定在某一个参数条件(如焊接速度)下焊接方向对焊缝成形的影响,缺乏系统的研究。针对这些问题,本文系统研究了不同工艺参数(主要包括激光-电弧间距、
激光功率和离焦量)下,焊接方向对光纤激光复合焊接焊缝熔深、熔宽及余高的影响,力图澄清激光-电弧复合焊接工艺研究中存在的一些问题。
钛合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性,在航空、航天、造船和化工等工业部门中得到了广泛应用[19]
。随着钛合金的应用日益增多,它的焊接性能也受到了人们的广泛关注和研究。与常规电弧焊接方法相比,激光焊接能量密度高,加热集中,对材料热损伤小,焊缝深宽比大,接头残余应力低,焊接精度高,可显著减少焊后加工量,焊接接头质量可与电子束焊媲美,却无需真空环境[20]。但是,激光焊接对工件的焊接装配精度要求高、坡口搭桥能力弱,这给实际应用带来很大的困难。为此,本文采用光纤激光与MIG 电弧复合焊接钛合金,目的是提高钛合金激光焊接的适应性,为激光复合焊在钛合金焊接中的应用提供一定的指导。
2 试验方法
焊接母材为TC4钛合金,板厚2.2m m ,填充焊
丝为日本大同特殊钢公司生产的TC4钛合金焊丝,直径1.2m m ,干伸长15mm 。母材与焊丝的化学成分如表1所示。
表1母材和填充焊丝的化学成分(质量分数,%)
T able 1Chemical co mpo sitio n o f base material and filler w ir e (mass fractio n ,%)
M aterials N C H F e Al V O Ti Ti -6A l -4V
0.050.007
0.015
-5.50～6.75
3.50～
4.50
0.20
Balance
Filler w ire
≤0.05
≤0.10
≤0.0125
≤0.30
5.50～
6.75
3.50～
4.50
≤0.20
Balance
图1试验中的光纤激光束质量分析
F ig .1Beam analysis of laser beam used in e xperiments
激光器为IPG 公司YLR -2000光纤激光器,最大输出功率2000W ,输出波长为1.07μm 的连续波激光,由直径为100μm 的光纤传输,聚焦透镜焦
距为200m m ,焦点直径为0.2mm ,光束质量参数
(BPP )为5.4m m ·m rad ,如图1所示。焊机为日本DM 350数字自动MIG 焊机,焊枪与工件表面有45°
崔 丽等: 焊接方向对光纤激光-M IG 复合焊接钛合金焊缝成形的影响
的夹角,激光头与焊枪都固定在一个可以六轴转动的机器手上,构成复合焊机头(见图2)。焊接时,保护气为体积分数99.99%的高纯度氩气,采用自制
焊接夹具实现对焊缝背面保护,利用焊枪的保护气及气体保护拖罩对焊接熔池和焊缝正面后端高温区的保护
。
图2光纤激光-M IG 复合焊接系统Fig .2Fibe r la ser -M IG hybrid w elding sy stem
试验采用板面堆焊方法。采用直流M IG 电源,为了保持电弧的稳定性,经过初步试验,熔滴过渡形式设定为喷射过渡,因而焊接电压和电流较高,分别为U =28V ,I =320A 。在此焊接电压和电流下,采用LL 和AL 两种焊接方向,改变激光功率、焊接速度、离焦量和激光-电弧间距的大小,获得一系列的焊缝。焊后将接头进行切割,经过镶样、研磨、抛光和腐蚀,制成金相试样。在低倍显微镜下观察焊缝
横截面宏观形貌,并以焊缝熔深(D )、熔宽(W )及余高(R )来表征焊缝截面,如图3所示
。
图3典型的焊缝横截面
Fig .3T y pical cro ss section of fiber laser -M IG
hybrid w eld
3 试验结果和讨论
3.1 焊缝的表面成形
在焊接速度v =4m /min ,激光功率P laser =1500W ,离焦量ΔZ =0,激光-电弧距离D LA =1m m 条件下,LL 方向与AL 方向的光纤激光-M IG 复合
焊接TC4钛合金焊缝的表面成形如图4所示。可见,两种焊缝的表面成形都呈银亮色,焊缝的鱼鳞纹规则、光滑,无可见气孔,无飞溅。这是因为在光纤
激光-MIG 电弧复合焊接过程中,选择了较高的焊接电流和电压(U =28V ,I =320A ),在激光能量作用下,焊丝较稳定地熔化,形成熔滴以射滴过渡方式进入熔池,熔池沿着焊接方向不断推进,并在后端形成鱼鳞状焊缝。并且射滴熔滴过渡频率较快,促进熔池流动,促使熔池中气孔的逸出和焊缝鱼鳞纹的细密化
。
图4光纤激光-M IG 复合焊接焊缝表面成形。(a )L L 方向,(b )A L 方向
Fig .4T op bead appea rance of fibe r la ser -M IG hybrid w eld .(a )L L directio n ,(b )A L directio n
此外,由图4还可以看出,与AL 焊缝的鱼鳞纹相比,LL 焊缝的鱼鳞纹更加细密光滑,可见LL 焊缝的焊缝成形更好。这两种焊缝鱼鳞纹的差别可以用熔滴过渡频率的高低来解释,当熔滴过渡频率较低时,即熔滴过渡周期较长,焊缝的鱼鳞纹较粗[21]。AL
方向焊接过程中,激光作用在熔池后部。LL 方向焊接时与之相反,激光主要辐射在熔池前沿。当激光束辐射在熔池后方时,与激光束辐射在熔池前方相比,熔滴过渡频率稍微偏低
[22]
。因此,AL 方向焊接的熔
滴过渡频率稍微偏低,因而焊缝的鱼鳞纹稍粗。
中 国 激 光
3.2 对焊缝的熔深、熔宽及余高的影响
3.2.1 激光-电弧间距
在实际焊接过程中电弧受到激光的强烈吸引,无法准确测量电弧与激光作用的距离,D LA一般以激光光斑中心到未起弧时焊丝延长线与工件交点的距离表示。D LA的大小决定了激光与电弧是否共同形成熔池产生协同作用的关键,因此是复合焊中一个重要的工艺因素。
图5为两种焊接方向时D LA对焊缝横截面形貌的影响,其他的焊接参数为P Laser=1500W,v= 4m/min,ΔZ=0。由图5可知,在D LA=0～6mm之间,LL方向焊缝横截面均为“V”型,表明此时复合焊接为深熔小孔焊,并且随着D LA的变化,焊缝截面形状变化较小;A L方向焊接在D LA=0～4mm之间获得了横截面为“V”型的深熔焊,但在D LA=6mm时焊接转变为横截面为半球形的热导焊。可见,与AL方向焊接相比,LL方向焊接时获得深熔焊的D LA值大于AL焊接的D LA值。AL方向焊接热导焊的形成是因为随着D LA增大,激光等离子体与电弧等离子体相互作用减弱[23],与LL复合焊接相比,AL复合热源焊接的能量密度降低较多,激光能量对熔深的贡献较小,从而使焊接转变为热导焊。因此,为了获得较好的协同作用,D LA应该在一定的范围内。
图5激光-电弧间距对焊缝横截面形貌的影响(P La ser=1500W,v=4m/min,ΔZ=0) Fig.5Effect of la ser-arc distance on cro ss sectio n o f weld(P Lase r=1500W,v=4m/min,ΔZ=0)
图6为两种方向焊接时D LA对熔宽、熔深及余高的影响。由图6可知,在D LA相同时,LL焊接时熔宽均大于AL焊缝熔宽;在D LA=0～4mm之间,随着D LA的增加,A L焊接熔深稍大于LL焊缝的熔深;在D LA=6mm时,由于A L焊接未能形成小孔深熔焊,因而焊缝的熔深降低很多。无论LL焊接还是A L焊接,当D LA=2m m时复合焊的熔深达到最大值。这是因为激光电弧旁轴复合焊时,D LA对激光电弧复合焊的焊缝成形有较大的影响[24]。
D LA=0时,A L焊接与LL焊接的激光都辐射作用在弧柱上,随着热源的移动,反而使电弧产生滞后,扩大了阳极斑点的飘移范围,电弧电阻增大,因此D LA=0不利于增大熔深[25]。在D LA=2mm附近,两种方向焊接的激光作用在电弧弧根,激光稳弧作用最强,且激光作用点位于电弧形成熔池的最低处,因此导致最大熔深的形成。当D LA大于2mm时,激光作用在熔池液面较高处,且远离弧根,对电弧的稳定作用减弱,则获得的熔深较小。D LA大于4mm 时激光基本作用在电弧形成熔池的边缘,复合焊过程实际上形成两分离的熔池
。
图6激光-电弧间距对焊缝熔宽、熔深及余高的影响(P Lase r=1500W,v=4m/min,ΔZ=0)
F ig.6Effect of lase r-arc distance o n w eld width,
penetration depth and r einfo rcement(P Lase r=
1500W,v=4m/min,ΔZ=0)
由图6还可知,在D LA=0～2mm时,两种焊缝
崔 丽等: 焊接方向对光纤激光-M IG 复合焊接钛合金焊缝成形的影响
的余高差别很小,但在D LA 较大(D LA =3mm 和D LA =4mm )时,AL 焊缝的余高较大。这是因为随着D LA 增大,激光等离子体与电弧等离子体相互作
用减弱,与LL 复合焊接相比,AL 复合热源焊接的能量密度降低较多,焊缝熔深减小。对于平板堆焊焊缝的余高来说,在电弧加热不变的情况下,焊丝熔化量的增多,意味着更多的熔化焊丝在平板上堆积,所以AL 焊缝的余高增加。可见,在较小的D LA (D LA =0～2mm )时,焊接方向对复合热源焊缝表面余高的影响不大。
3.2.2 激光功率
图7为两种焊接方向时激光功率对焊缝横截面形貌的影响,其他的焊接参数为v =4m /min ,ΔZ =
0,D LA =1m m 。由图7中可知,在LL 方向焊接时,随着激光功率的增加,焊缝形状由半球状变为“V ”型,表明焊接由热导焊向深熔焊转变,并且熔深和熔宽均明显增加,横截面面积增大。在A L 方向焊接时,焊缝的形状均为“V ”型深熔焊。可见,与LL 焊接相比,AL 焊接在较小的激光功率下就可以实现激光深熔焊,AL 焊接更易于获得较深的熔深
。
图7激光功率对焊缝横截面形貌的影响(v =4m /min ,ΔZ =0,D LA =1mm )Fig .7Effec t o f laser pow er o n c ross section of we ld (v =4m /min ,ΔZ =0,D LA =1mm )
图8为两种方向焊接时激光功率对熔深、熔宽
及余高的影响。随激光功率的增加,两种焊缝熔宽和熔深均增大,余高变化较小。这是由于随着激光功率的增加,焊接线能量增加,导致了焊缝熔深及熔宽的增加。余高变化较小与秦国梁等[26]
的研究结果一致,对于在较大焊接电流下,激光功率对复合热
图8激光功率对焊缝的熔深、熔宽及余高的影响
(v =4m /min ,ΔZ =0,D LA =1mm )
F ig .8Effect of laser po wer o n weld width ,pene tratio n
depth and reinfo rcement (v =4m /min ,ΔZ =0, D LA =1mm )
源焊缝余高影响不大。在相同的激光功率时,LL 焊缝熔宽均大于AL 焊缝的熔宽,两种方向焊接时焊缝熔深的差别较小,特别是在高功率(P Laser =2000W )时,熔深几乎相同。因此,在激光功率相同时,仅改变焊接方向对焊缝的熔深、余高影响均较小,对焊缝的熔宽影响很大。3.2.3 离焦量
离焦量是指激光焦点偏离工件表面的距离,离焦量有两种:一般当焦点位于工件表面上方为正离焦,反之为负离焦。
图9为两种方向焊接时离焦量对焊缝横截面形貌的影响,其他焊接参数为P Laser =1500W ,v =4m /min ,D LA =1m m 。从图9可知,在ΔZ =-3m m 时,即激光的焦点在工件以下3mm 时,焊缝横截面为半球形,表明此时焊接为热导焊。当ΔZ =-1～3m m 之间时,焊缝横截面的形状均为“V ”型,表明获得了深熔焊焊缝。激光焦点位置的改变,使激光在工件表面的焦斑直径发生了变化,导致了激光功率密度的变化。
中 国 激
光
图9离焦量对焊缝横截面形貌的影响(P La ser =1500W ,v =4m /min ,D LA =1mm )
Fig .9Effect o f defocused distance o n cr oss sectio n o f weld (P La ser =1500W ,v =4m /min ,D LA =1mm )
图10为两种方向焊接时离焦量对熔宽、熔深及余高的影响。从图10可知,LL 焊缝的熔宽均大于
AL 焊缝的熔宽,而熔深略小于A L 焊缝熔深,且在ΔZ =0时AL 焊缝熔深最大,这是因为在ΔZ =0时激光的焦点在工件表面,工件获得的功率密度最大,因此可以获得最大的熔深。在相同的离焦量时,对比焊缝的余高发现,焊接方向在正负离焦时对余高的影响不同:负离焦时,AL 焊缝余高大于LL 焊缝余高;正离焦时,LL 焊缝的余高大于A L 的余高
。
图10离焦量对焊缝的熔深、熔宽及余高的影响(P La s e r =1500W ,v =4m /min ,D LA =1mm )
F ig .10Effect o f defo cused distance o n width ,pene tratio n
depth and reinfo rcement of weld (P La ser =1500W , v =4m /min ,D LA =1mm )
3.3 讨论
在光纤激光-M IG 电弧复合焊接TC4钛合金时,焊接方向对焊缝的熔宽、熔深和余高的影响的主要结果是:与LL 方向焊接相比,AL 方向焊接获得焊缝的熔宽较窄而熔深较深。
在MIG -活性气体保护焊(M AG )中,电极倾角对焊缝成形和熔深的影响大于电弧电压及焊接速度的影响。一般来说,电弧电极(焊丝)前倾,电弧力后
排熔池金属的作用力减弱,熔池底部液态金属增厚,熔深减小;同时电弧对熔池前方工件的预热作用加
强,熔宽增大。电极(焊丝)后倾时,情况与前述相反。在光纤激光-M IG 复合焊接时发现,LL 方向焊接(电极前倾)获得焊缝的熔宽较大,但熔深较小,这与单独电弧焊接时电极前倾对焊缝熔宽和熔深的影响趋势一致。因此,在光纤激光-M IG 复合焊接时,电弧前置与后置(即焊接方向)对焊缝熔深、熔宽的影响与单独电弧焊接时电极前倾与后倾对焊缝成形的影响一致。
在激光电弧复合焊接过程中,激光和电弧之间存在强烈的相互作用,这种相互作用对工艺稳定性和焊缝成形具有决定性的影响。激光与电弧等离子体的作用表现为激光对电弧形态的影响,一方面表现为激光对电弧的压缩、吸引、稳定作用,另一方面,电弧等离子体会吸收激光能量,造成激光能量的大幅衰减,同时电弧等离子体的“负透镜效应”使激光束产生散焦和偏折[27]。由于等离子体对激光能量
的吸收与激光束的波长成正比[28]
,所以CO 2激光穿
过电弧后的能量损失要比YAG 激光高得多,这已是公认的事实。在光纤激光的情况下,由于其波长与YAG 激光的波长很接近,这样电弧对光纤激光功率的损失影响也较小。目前国内外在光纤激光与电弧的相互作用方面的报道很少,Liu [23]
观察了采用2kW 光纤激光与M AG 电弧复合焊接时不同D LA 时的电弧形态,如图11所示。由图11可知,光纤激光对电弧有强烈的吸引、压缩作用,但随着D LA 的增加,电弧等离子体体积增大,激光与电弧的协同作用减弱。此外还发现,在D LA 间距相同时,仅仅改变焊接方向,A L 方向焊接时电弧等离子体体积均小于LL 方向焊接时的电弧体积。由于LL 方向焊
崔 丽等: 焊接方向对光纤激光-M IG 复合焊接钛合金焊缝成形的影响
接时电弧等离子体体积较大,使得液态熔池的宽度也较大,更容易向四周铺展,因此焊缝熔宽较大。但
是,目前无法证实等离子体体积的大小对焊缝熔深的影响规律,还需进一步深入的研究
。
图11A L 方向与L L 方向不同D LA 下的M A G 电弧等离子体的形态(P Lase r =2000W ,ΔZ =-2mm ,
I =200A ,U =19V ,v =4.8m /min )
Fig .11P lasma induced by me tal activ e gas welding arc in A L and L L hy brid welding (P Lase r =2000W ,
ΔZ =-2mm ,I =200A ,U =19V ,v =4.8m /min )
4 结 论
1)两种方向焊接获得的焊缝表面的鱼鳞纹规则、光滑,LL 方向焊接获得焊缝的鱼鳞纹更细密光滑,有更好的焊缝成形。
2)LL 方向焊接时,在D LA =0～6mm 之间,为“V ”型焊缝的深熔焊,焊缝截面形状变化较小;A L 焊接在D LA =0～4m m 之间为深熔焊。在D LA =0～2mm 之间,与AL 焊缝相比,LL 焊缝的熔宽较宽,熔深略小,余高差别很小。
3)随激光功率的增加,两种焊缝熔宽和熔深均增大,余高变化较小。在相同的激光功率时,与A L 方向焊接获得的焊缝相比,LL 方向获得焊缝的熔宽较宽、熔深较浅,余高无差别。
4)在相同的离焦量时,与A L 方向的焊接相比,LL 方向焊接获得焊缝的熔宽较宽、熔深较浅,在ΔZ =0时A L 焊缝熔深最大,正负离焦量对余高的影响不同。
参
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文件编号：TP-AR-L8424 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编制：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 钛及钛合金焊接工艺分 析正式样本
钛及钛合金焊接工艺分析正式样本 使用注意：该解决方案资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，当前人们逐渐对钛合金焊接技术的应用重视起来。众所周知，钛和钛合金焊接工艺是我们在进行焊接工作中的重点焊接环节，因为钛的比强度相对较高，且钛的耐海水性以及耐低温性也比较高，与此同时，钛也具有无磁透声等和防抗击震动等优点。本文针对当前钛及钛合金焊接形状，对钛及钛合金具体焊接工艺进行详细分析和阐述，希望为我国焊接行业的发展贡献出一份力量。 广义来讲，钛及钛合金是以建筑结构材料形式产生的，同时由于钛及钛合金密度小以及抗拉强度相对
较高等特点现已倍受青睐。而在300摄氏度到500摄氏度的高温状态下，钛合金金属材料仍具有足够高的强度，并且钛及钛合金具有优良抗腐蚀性，被多用于船只建造。 钛及钛合金焊接工艺特点分析 工业纯钛的抗拉强度普遍偏低，要想使得工业纯钛强度达到标准要求，就得对其进行合金元素施加，对工业纯钛进行不同种类元素和不同数量元素的施加会使工业纯钛产生三种不同类型的钛合金。其中，Ti-230材质的钛合金较为常用，一般加力燃烧室滚动轴承通常是由相应支撑环组件和加强环焊接组件共同构成。 钛及钛合金焊接组织和钛及钛合金相关焊接缺陷详述 2.1.钛及钛合金焊接组织
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。 2.3.受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子，在频率为的辐射场作用下吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能级E2，这种过程称为受激吸收。自发辐射是不相干的，受激辐射是相干的。 由受激辐射和自发辐射的相干性可知，相干辐射的光子简并度很大。普通光源在红外和可见光波段实际上是非相干光源。如果能够创造这样一种情况：使得腔内某一特定模式的ρ很大，而其他所有模式的都很小，就能够在这一特定模式内形成很高的光子简并度，使相干
钛合金激光修补焊接技术 目前很多金属产品都采用钛合金代替，但是在焊接修补期间，仍然依赖于激光设备，钛合金材质因为强度和耐腐蚀性比其他材质都要高，而代替了其他行业的技术应用，特别是高新技术上的应用，例如：发动机、机件等产品的外用结构等，不仅降低了产品自身的重量，也提高了机器质量安全，为了充分的应用，在生产过程中，往往需要多种设施的搭配应用，比如焊接修补上需要采用激焊接机进行修补焊接，标记也可采用激光镭射机作为主导设备，因此，钛合金材质与激光设备也是互关互联。 采用激光焊接机对待钛合金的焊接从大件到工艺产品，可采用夹具进行加装，实现高效能生产，在精密程度上产品无论复杂结构的程度都不受激光焊接机的操作限制，对于各种规格形状皆可高效快捷的运用，在品质上也存在其他设备所无法相比的高性能快速融合，超过了传统设备的运用水平，如此快捷高效的应用从修补到焊接的周期远远可以缩短，因此在成本上也大有节约，更具有高性价比的匹配性。 从激光焊接机的特点和钛合金的的性能结合分析，对于大型器件的修补采用激光技术往往可以避免传统制造技术对设备及大规格原材料的苛刻要求，对于复杂腔体结构，皆可迎刃而解，因此激光技术在钛合金材质的焊接中从成本和材料都是不二的选择。钛合金材质往往运用在零件、机械中，因此修补和焊接的位置也比较多，从工艺技术和设备生产的缺陷，到零件的缺陷、裂纹和尺寸等差异产生的问题，严重影响了型号研制进度。但是基于激光焊接技术的修复技术应运而生，相对常规的修复技术，具有修复体性能高，设备可达性好，受零件尺寸限制小、修复周期短、综合成本低等特点，适用于钛合金等昂贵零件的修复，可最大限度地挽救常规技术不可修复的零件(包括运营飞机的零件)，为解决高新技术研制和零件使用过程出现缺陷、损伤、腐蚀等提供了一种新的快捷的解决途径，激光修补技术在国内的应用已经具有小型规模，确保了先期工程的应用和零件的使用，激光焊接和修复全尺寸结构静力与疲劳考核验证，以适合标准为依据进行符合性验证，确保各个行业安全可靠使用;激光焊接机采用修复内在机理深化研究，包括成形及热处理工艺与组织、性能控制，内应力分布规律及消除，抑制变形开裂等基础研究;激光焊接和修复质量评价技术研究，建立成套技术文件体系，包括制造标准和试验标准等;激光焊接和修复制造技术研究，开发工程化应用成套设备，提高成形稳定性，完善实时检测手段，实现精度(尺寸与形状)和速率的最佳匹配。
铁铝铜钛合金的焊接方法 低碳钢含碳量少，塑性好，可以制备成各种形式的接头和构件。在焊接过程中，不容易产生淬硬组织，产生裂纹的倾向也很小，同时又不容易产生气孔，它是最好焊的材料。采用气焊、手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊等方法焊接低碳钢，都能获得良好的焊接接头。采用气焊时不要长时间加热，否则热影响区的晶粒容易变大。在接头刚度很大，周围气温较低时，应把工件预热到100~150℃，以免产生裂纹。 如何焊接中碳钢? 由于中碳钢含碳量较高，焊缝及其热影响区容易产生淬硬组织而造成裂纹，所以焊前应预热到300℃左右，并且焊后需要缓冷。它可以采用气焊、手弧焊及气体保护焊等方法施焊。焊接材料应选用结506、结507等抗裂纹性能比较好的焊条。 如何焊接铝及铝合金? 铝及铝合金在焊接中特别容易产生比重大、熔点高的氧化膜，这种氧化膜还能吸附大量的水分，因此在焊接中容易产生夹渣，熔合不好和气孔等缺陷，此外铝合金还容易产生热裂纹。焊接铝及铝合金可以采用气焊或手弧焊。但气焊热量不集中，铝传热很快，所以生产效率低，工件变形大，除薄板外很少采用。 目前大量采用交流氩弧焊的方法来焊接铝及铝合金，因为它热量集中，焊缝美观，变形小，有氩气保护，能防止夹渣和气孔。如采用手工电弧焊焊铝，适合4mm以上的厚板。所用焊条牌号为铝109、铝
209、铝309。它们都属盐基型焊条，稳弧性能不好，要求用直流反接电源。 如何焊接钛及钛合金? 钛是非常活泼的元素，在液态和高于600℃的固态下，极易和氧、氮、氢等气体作用，生成有害的杂质，使钛发生脆化。因此，钛及钛合金不能采用氧-乙炔气焊、手工电弧焊或其它气体保护焊，而只能采用氩弧焊，真空电子束焊和接触焊等方法。采用氩弧焊焊3mm以下的薄板，电源用直流正接、氩气纯度不低于99.98%，喷嘴要尽量靠近工件，焊接电流要小，焊接速度要快，焊后一般要进行低温退火处理，以改善结晶组织和消除焊接应力。 如何焊接铜及铜合金? 铜及铜合金的焊接有许多困难，因为它们的导热性特别好，所以容易造成焊不透和熔合不好等缺陷。焊后工件要产生较大的变形，焊缝及熔合区也容易产生裂纹和大量的气孔。接头的机械性能，尤其是塑性和韧性都低于母材。 焊接紫铜可以采用气焊，但效率太低、变形大，而且还要预热到400℃以上，劳动条件也不好。手工电弧焊可用铜107或铜227的焊条，电源用直流反接，电弧尽量压低，采用直线往返形运条法，以改善焊缝成形。 焊后锤击焊缝，以改善焊缝质量。若采用钨极氩弧焊，可获得高质量的焊接接头，并能减少焊件变形。焊丝用丝201，如用紫铜线T2，还要配用焊剂301.电源采用直流正接。焊接对工件和焊丝要认真清
激光焊接的工作原理及其主要工艺参数摘要：焊接技术主要应用在金属母材热加工上，常用的有电弧焊，电阻焊，钎焊， 电子束焊，激光焊等多种，本文详细介绍了激光焊接的工作原理与工艺参数，还讨论了激光焊接技术在现代工业中的应用，并与其他焊接方法进行对比。研究表明激光焊接技术将逐步得到广泛应用。 关键词：焊接技术；激光焊接；工作原理；工艺参数。 1. 引言 目前常用的焊接工艺有电弧焊、电阻焊、钎焊、电子束焊等。电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，它包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。但上述各种焊接方法都有各自的缺点，比如空间限制，对于精细器件不易操作等，而激光焊接不但不具有上述缺点，而且能进行精确的能量控制，可以实现精密微型器件的焊接。并且它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。 激光指在能量相应与两个能级能量差的光子作用下，诱导高能态的原子向低能态跃迁，并同时发射出相同能量的光子。激光具有方向性好、相干性好、单色性好、光脉冲窄等优点。激光焊接是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接，这种焊接通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近半个世纪的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、造船等领域。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵、一次性投资大、技术要求高的问题，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线。 2. 激光焊接原理 2.1激光产生的基本原理和方法 光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子。微观粒子都具有一套特定的能级，任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态，物质与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h。爱因斯坦认为光和原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。我们考虑原子的两个能级E1和E2，处于两个能级的原子数密度分别为N1和N2。构成黑体物质原子中的辐射场能量密度为ρ，并有E2 -E1=hν。 2.1.自发辐射 处于激发态的原子如果存在可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态上的一致，是非相干光。 2.2.受激辐射 除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，
手持式光纤激光焊接机 佛山市富兰激光科技 佛山市富兰激光科技有限公司（简称：富兰激光）是一家集激光设备的研发、生产、销售、服务为一体的高新技术企业，专业致力于为国内外客户，提 供一整套激光加工设备及激光自动化集成、各种自动化生产线。主要产品包括：激光打标机、激光焊接机、激光喷码机、激光雕刻机等激光设备，以及自动化 配套系统。公司有专业的研发团队，可以为客户量身定做非标激光设备。所生 产的激光打标机享多项国家发明专利、技术专利和实用专利，通过欧盟CE等多项认证。 下面，主要为大家简单地介绍一下富兰激光所生产的激光焊接机系列之手 持式光纤激光焊接机： 特点描述： 1、高深宽比，焊缝宽度小，热影响区小，变形小，焊接速度快； 2、焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理工序； 3、光纤激光器电光转换效率高，可高达于25%，能耗极低； 4、光学器件寿命长，基本实现免维护； 5、符合人体工程学手持式焊接头，操作简单； 6、可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，可实现自动化激光焊接；
7、操作简单，即培训即上岗，操作员只需通过控制电脑软件来驱动激光焊接机，既可完成自动或半自动的点焊、对接焊、叠加焊、密封焊，也可针对复杂的平面直线、圆弧及任意轨迹的焊接。 应用领域： 主要应用于电子元器件、汽车配件、仪器仪表、精密机械、通讯设备等行业不锈钢、碳钢、硅钢、铝合金、钛合金、镀锌板、镀铝锌板、铜等多种金属材料的快速焊接以及某些异种材质间的焊接。 激光小知识：光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。
简述钛钢复合板的焊接技术 钛有第三金属”之称，有高的比强度，良好的塑韧性和耐腐蚀性，已被广泛应用在航空航天、造船及化学工业中。正是由于材料本身及焊接的特殊性，以及钛钢复合板焊接属于比较新的施工领域，施工措施还不成熟、不完善，致使现场焊接施工中经常会出现质量问题。 一、焊接方法的选择 由于钛钢复合板基层钢材质为Q235钢，焊接工艺已经相当成熟稳定，因此可用多种焊接方法，焊条电弧焊、CO2气体保护焊以及焊条电弧焊/埋弧焊。但考虑到现场实际施工问题，焊条电弧焊效率比较低，还要专门清理熔渣；采用焊条电弧焊/埋弧焊方法，需要焊条电弧焊打底，增加工序，且由于埋弧焊焊接参数较大容易击穿打底层，焊接质量难以保证，而且热影响区较大，会对附近复合区钛板造成一定负面影响；CO2气体保护焊为半自动化操作，而且减少了中间环节，大大提高了焊接施工效率，有利于保证施工进度和焊接质量。但由于CO2气体保护焊产生的飞溅较大，因此建议使用Ar CO2气体的混合气体。 钛钢复合板焊接采用钨极氩弧焊，施工的关键点在于钛板的焊接。一般现场为钛填条搭接焊，钛填条厚度为1.5mm，钛板厚度为1.2mm。由于钛元素在元素周期表中属于过渡元素，具有一定的化学活性。光洁的钛板在常温下就能与空气中的氧发生反应，并且随温度的升高活性增加，达到250℃时开始吸氢，400℃时开始吸氧，600℃时开始吸收氮元素，与氢、氧、氮元素发生反应，生成各种钛化合物。或溶解于钛晶粒组织中，形成间隙固溶体，改变金属晶格，降低钛板的力学性能和使用性能。为此，在钛板焊接的过程中，必须做好钛板、钛填条、钛焊丝的清理和焊接过程中的防护工作。 二、焊接参数选择 焊接参数选择也会对钛焊缝及热影响区组织产生很大影响。由于钛金属具有熔点高、热容量大和导热性差等特性，如果选择焊接参数较大，热输入量多，会造成高温热影响区较宽，高温停留时间较长，致使焊缝和热影响区晶粒粗大，甚至出现钛板与基层钢互溶。两者互溶所产生的中间化合物是脆性组织，破坏和改变了原有金属晶格，是焊缝中的应力集中点和薄弱环节，增加焊缝脆性，降低了焊缝的塑韧性以及屈服强度、抗拉强度，使钛钢复合板焊缝的力学性能急剧下降。焊缝及热影响区在冷却过程中转变为针状组织，导致焊接接头塑性下降。热输入量过大，如果防护措施不当，焊缝及热影响区暴露于空气中就会导致氧化变色，降低或无法满足使用要求；反之电流过小，则无法保证焊缝熔合性，使热影响区淬硬，不利于氢的逸出，增大了冷裂倾向，而且施工进度比较慢。因此，焊接电流的选择必须合理、实用。现场施工推荐使用电流为110～150A，氩气流量为10～14L/m i n。在钛填条的焊接过程中，焊缝及热影响区的氧化变色及裂纹的产生是经常出现的问题。氧化变色主要是钛表面温度过高，钛元素活性增加，与空气中的氧在接触过程中发生反应。由于氧化程度不同，表现出的表面颜
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。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910268470.9 (22)申请日 2019.04.03 (71)申请人 西安飞机工业（集团）有限责任公司 地址 710089 陕西省西安市西飞大道一号 (72)发明人 张颖云 陈素明 梁继忠 (74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008 代理人 杜永保 (51)Int.Cl. B23K 26/02(2014.01) B23K 26/12(2014.01) B23K 26/21(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种钛合金激光焊接的焊缝正面保护装置 和保护方法 (57)摘要 本发明提供了一种钛合金激光焊接的焊缝 正面保护装置和保护方法，在焊缝正面的压紧夹 具上添加保护装置，保护装置开有与焊缝走向一 致的通气槽，保护装置处于焊缝的两侧并随焊缝 形状而变化。焊接过程中保护装置全程向焊缝正 面输送保护气体，保证熔池金属在不受在氧化的 条件下凝固和相变，最终到达室温状态。本发明 是利用激光焊接远距离和非接触的特点，省去焊 枪尾部的保护拖罩。权利要求书1页 说明书2页 附图2页CN 109865935 A 2019.06.11 C N 109865935 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109865935 A 1.一种钛合金激光焊接的焊缝正面保护装置，包括一个压紧夹具，其特征在于所述压紧夹具上开有与焊缝走向一致的通气槽，通气槽两侧的高度不同，靠近焊缝的内侧边高度低于起支持作用的外侧边，通气槽内外侧边高度差为 2.0±0.2mm，在通气槽内壁，沿长度方向放置两层400目的铜网，铜网呈近圆形布局，铜网下边缘与基体下边缘平齐。 2.一种钛合金激光焊接的焊缝正面保护方法，其特征在于在焊接过程中，在正面保护装置的通气槽内输入惰性气体，惰性气体从通气槽与焊件切合面的间隙中出溢出，覆盖焊缝正面。 2
IPG 光子公司2万瓦光纤激光器在厚板焊接中的应用 IPG 光纤激光器为昂贵的电焊接提供了新的选择 生产高功率光纤激光器和放大器的世界领先企业IPG 光子公司，在德国应用研发中心，在满足高质量、高速度的条件下，在不锈钢厚板焊接应用领域中创造了一项新的记录。 使用IPG 公司独一无二的波长为1070纳米的20kW 连续的商用光纤激光器，在光纤芯径为200um，聚焦光斑为420um 的条件下，焊接厚度为1英寸的304不锈钢，速度能够达到0.85m/min，焊接0.75英寸的钢板能达到2m/min。 实验表明，在满足高质量的前提下， IPG 的光纤激光器能够完成对304不锈钢2 英寸的对缝焊接。YLR－20kW 光纤激光器 是世界上唯一能够达到输出光斑为1微米 的2万瓦级连续激光器。IPG 光纤激光器 以其高效的电光转换效率，高可靠性，简 单易用，结构紧凑和低维护的特性，有极 大的潜力成为室内外厚板金属应用中最强 大的实际应用工具。 IPG（北京）总经理顾波博士：“这个实 验结果证明：IPG 生产的20kW 光纤激光器对厚度要求较高的焊接应用领域，特别是以往只 能在全部真空或半真空环境下，使用成本较高的电焊机器进行的厚板焊接领域，具有极大 的影响力。现在，IPG 的光纤激光器以其高功率和灵活性应用于金属厚板焊接，应用于包括 造船，天然气管道，油气储存罐，航空和建筑等重工业领域。 ”英寸焊接（50.8mm）双面对焊、不锈钢1.4301 重叠联合焊接2×15mm 不锈钢1.4301 IPG 20kW 光纤激光器 功率 20Kw 光纤直径 200μm 空间 1480×806mm 功率消耗 最大70Kw 效率 ～30%重量1200Kg 焊接速度m/min 浸 透 深 度 mm 不锈钢（1.4301）光斑大小420μm
一、激光基本原理 1、 LASER 是什么意思 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅的英语开头字母 2、激光产生的原理 激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。 为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。含有钕 (ND的 YAG 结晶体发生的激光是一种人眼看不见的波长为 1.064um 的近红外光。这种光束在微弱的受激发情况下,也能实现连续发振。 YAG 晶体是宝石钇铝石榴石的简称,具有优异的光学特性,是最佳的激光发振用结晶体。 3、激光的主要特长 a 、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的,它是最纯的单色光 (波长、频率 b 、方向性――激光传播时基本不向外扩散。 c 、相干性――激光的位相 (波峰和波谷很有规律,相干性好。 d 、高输出功率――用透镜聚焦激光后,所得到的能量密度是太阳光的几百倍。 二、 YAG 激光焊接
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功么密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种:脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l 、激光焊接加工方法的特征 A 、非接触加工,不需对工件加压和进行表面处理。 B 、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。 C 、短时间焊接,既对外界无热影响,又对材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合加工高熔点、高硬度、 特种材料。 D 、不需要填充金属、不需要真空环境 (可在空气中直接进行、不会像电子束那样在空气中产生 X 射线的危险。 E 、与接触焊工艺相比 . 无电极、工具等的磨损消耗。 F 、无加工噪音,对环境无污染。 G 、微小工件也可加工。此外,还可通过透明材料的壁进行焊接。 H 、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I 、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J 、很容易搭载到自动机、机器人装置上。
手持式光纤激光焊字机 产品图片: 公司简介： 华天精工是国内最早一批研发生产激光焊接机的专业制造商，具有强大的技术研发能力，产品性能稳定，充分满足客户的需求。公司依托华中科技大学激光院技术力量和基础建立起来的以激光焊接打标切割为主业高新技术企业。 公司致力于激光技术开发、高科技成果转化及激光产业化的发展，不断引进先进的激光技术改造传统产业，为工业制造领域提供广泛而全面的激光加工解决方案，制造研发OEM各类激光加工成套设备。完整的产品组合，可满足用户多样化的需求，并可根据客户需求升级或另行设计。 愿与各界朋友精诚合作，共同成长！ 设备简介： 激光焊字机是应用高能脉冲激光对物件进行焊接。通过激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率和脉宽的光波经聚光腔辐射到Nd3+：YAG晶体，晶体发光经谐振后发出1064nm的脉冲激光，再经扩束、反射、聚焦后进行焊接。 设备特点： 此激光沉积焊接系统的工作原理，是以激光高热能并集中定点的熔接技术，有效处理一切微小部分的焊接，弥补了传统氩弧焊技术在修补焊接精细表面时的不足。避免了热应变和后处理这两道门槛，大大提高了金属字或招牌的连接强度和品质。 手持式光纤传输激光焊字机是将高能激光束耦合进入光纤，远距离传输后，通过准直镜准直为平行光,再聚焦于工件上实施焊接的一种激光焊接设备。对焊接难以接近的部位，施行柔性传输非接触焊接，具有更大的灵活性。激光束可实现时间和能量上的分光，能进行多光束
同时加工，为更精密的焊接提供了条件。 适用范围： 用于各种精品字、精工字、镜面字、沙钢字、钛金字、镀锌板字、铝型材立体字、不锈钢镜面字、不锈钢拉丝字、不锈钢球面字、不锈钢平面字、不锈钢烤漆字、不锈钢喷塑字、不锈钢实心字、不锈钢电镀字、不锈钢金箔字、精工金属字、钛金平面字、钛金球面字、精工钛金字、平面铜字、球面铜字、紫铜字、紫铜仿古字、钛金板字、铁皮烤漆字（不锈钢带、铁带、低碳钢带、镀锌板带）等广告字及各种金属标识LED金属字外壳的焊接成形； 金属字分类：标识标牌制作的金属字按材料和工艺分类，包括铝字、铝型材字、镀锌板字、不锈钢镜面字、不锈钢拉丝字、不锈钢球面字、不锈钢平面字、不锈钢烤漆字、不锈钢喷塑字、不锈钢实心字、不锈钢电镀字、不锈钢球面字、不锈钢金箔字、精工金属字、钛金平面字、钛金球面字、精工钛金字、平面铜字、球面铜字、紫铜字、紫铜仿古字、精工铝字、沙钢字、铁皮烤漆字等。 特点说明： 1.红光快速找焊接点，可加装CCD直观观察. 2.可变工作平台，无论大小字均可承载放置。 3.加工速度快，专用的固定焦点位置的夹具，不需CCD和显微镜就可快速对准焦点焊 接。 4.热变形及热影响区小。 5. 对于超小字，5CM以下或者超大字，100CM以上金属字或者LOGO完全替代锡焊 和氩弧焊。 6.可对复杂形状的零件、微小字进行加工. 7.加工无噪声，对环境无污染； 8.超细定位杆，在字体拐角处也无需调整光点位置。 9.手持式焊接头，相对普通型焊字机对于过小或过大的金属字焊接无能为力的缺点全 部解决。 10.3-5米的光纤柔性传输，对于普通焊接无法进入的复杂工件，激光头可随意进入。 11.根据焊接工件，手动出光与脚踏出光可选。 广告字焊接说明： 随着国内广告业的快速发展，金属广告字以其色彩艳丽、效果醒目、耐高温、耐气候变化且不易变形、不易褪色（一般能保色8-10年）、良好的耐腐蚀性、防雨、防火、防自燃等特点，已经越来越多的广泛应用，金属字是不锈钢、铝、铜等各种金属为材料，通过切割、打磨、包边、抛光、焊接等工艺制作而成的广告字，而金属字最大的特点是不会生锈，使用寿命长，具有有较强的立体感，高档，有金属质感，厚度随意，庄重感强等特点，大量的应用于LED发光字，户外高档形像标牌，商场店标，门牌，室内标牌等。.
27 激光焊接TC4钛合金组织性能研究 董智军 1, 2 吕 涛1 雷正龙1 陈彦宾1 李俐群1 周 恺3 马 瑞3 （1.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001； 2.上海航天精密机械研究所，上海 201600；3. 北京动力机械研究所，北京 100074） 摘要：研究激光焊接对TC4钛合金焊缝成形和力学性能的影响，并利用OM 、XRD 和TEM 等手段对焊接接头的显微组织特征进行了分析。结果表明，激光焊接TC4钛合金成形较好，但在焊缝熔合线附近容易产生圆形气孔。焊缝由单一的α′马氏体构成，并呈网篮状分布。热影响区组织为α′马氏体和初始α相。焊缝和热影响区的显微硬度明显高于母材，而焊缝的硬度最高且硬度分布平缓。TC4钛合金焊接接头的室温平均抗拉强度为1126MPa ，与母材的抗拉强度相当，延伸率为11.12%，比母材略低，焊接接头均断在母材区域。 关键词：钛合金；激光焊接；微观组织；显微硬度；抗拉强度 Microstructure and Mechanical Properties of Laser Welded TC4 Alloys Dong Zhijun 1, 2 Lv Tao 1 Lei Zhenglong 1 Chen Yanbin 1 Li Liqun 1 Zhou Kai 3 Ma Rui 3 (1.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin 150001; 2. Shanghai Spaceflight Precision Mechanism Institute, Shanghai 201600; 3. Beijing Power Machinery Research Institute, Beijing 100074) Abstract ：The effect of laser welding on the weld appearance and mechanical properties of TC4 (Ti-6Al-4V) alloys were discussed, and the microstructure characterization of the joints was investigated by means of OM, XRD and TEM. The experimental results showed that a good weld appearance could be obtained; however, some round blowholes emerged easliy near the weld fusion line. The weld seam is only composed of α’ martensite which takes on basket weave structure. And the microstructure of heat affected zone is constituted of α’ martensite and the initial α phase. The microhardness of the weld seam and heat affected zone is higher than that of the base metal. And the weld seam exhibits the highest values in the welded joint. The tensile strength of the laser welded joints is 1126 MPa at room temperature, which is equal to that of the base metal. The elongation of the joint, however, is slightly lower than the base metal with a ductility of 11.12%. The welded joints of TC4 alloys are all broken on the area of the base metal. Key words ：Ti alloy ；laser welding ；microstructure ；microhardness ；tensile strength 1 引言 钛合金由于具有比强度高、抗腐蚀性能好，以及良好的耐热性和焊接性等优点，在航天、航空、核工 业、舰船等国防和民用领域得到广泛应用[1 ～3] 。其中， Ti-6Al-4V(TC4)钛合金作为一种典型α+β两相钛合金，在飞机机身及其各种承力构件、发动机叶片、导弹舵翼等大型结构中广泛使用，据目前统计，TC4钛 作者简介：董智军（1988-），硕士, 焊接专业；研究方向：钛合金激光焊接组织和 性能方面的研究。 收稿日期：2012-12-11
钛合金焊接工艺 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
关键词：焊接；钛合金；焊丝；氩气；氩弧焊 摘要：本文阐述了钛及钛合金的材料特点及焊接性、并针对钛及钛合金焊接中易产生氧化、裂纹、气孔筹焊接缺陷，进行了焊接性试验。能过对钛及钛合金焊接工艺规范的不断摸索，以及对试验过程出现的问题的合理分析，总结出钛及钛合金焊接工艺特点及操作要领。 一、钛及钛的分类及特点 国产工业纯钛有TA1、TA2、TA3三种，其区别在于含氢氧氮杂质的含量不同，这些杂质使工业纯钛强化，但是塑性显着降低。工业纯钛尽管强度不高，但塑性及韧性优良，尤其是具有良好的低温冲击韧性；同时具有良好的抗腐蚀性能。所以，这种材料多用于化学工业、石油工业等，实际上多用于350℃以下的工作条件。根据钛合金退火状态的室温组织，可将钛合金分为三种类型：α型钛合金、(α+β)型钛合金及β型钛合金。α型钛合金中，应用较多的是TA4、TA5、TA6型的Ti-AI系合金和TA7、TA8型的Ti+AI+Sn合金。这种合金室温下，其强度可达到931N/mm2，而且在高温下（500℃以下）性能稳定，可焊性良好。β型钛合金在我国的应用量较少，其使用范围有待进一步扩大。 二、钛及钛合金的焊接性 钛及钛合金的焊接性能，具有许多显着特点，这些焊接特点是由于钛及钛合金的物理化学性能决定的。 1.气体及杂质污染对焊接性能的影响
在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但试验表时，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。 （1）氢是影响氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显着，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低，故片状或针状卫HiH2的作用例以缺口，合冲击性能显着降低；焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。 （2）氧的影响氧在钛的α相和β想中都有有较高的熔解度，并能形成间隙固深相，使用权钛的晶伤口严重扭曲，从而提高钛及钛合金的硬度和强度，使塑性却显着降低。为了保证焊接接应的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及焊按热影响区发主氧化外，同时还应限制基本金属及焊丝中的含氧量。 （3）氮的影响在700℃以上的高温下，氮和钛发生剧作用，形成脆硬的氮化钛（riN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显着。 （4）碳的影响碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为%时，碳因深在α钛中，焊缝强度极限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC，其数量随碳含量
激光焊接原理与主要工艺参数 作者:opticsky 日期:2006-12-01 字体大小: 小中大 1．激光焊接原理 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。 2. 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。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），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，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，
激光焊接实验报告 一、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。 二、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1 CO2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数量级围时，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 2.2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。