殷钢薄板材料激光焊接试验研究_图文

1、大连理工大学硕士学位论文殷钢薄板材料激光焊接试验研究姓名:周秋菊申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:吴东江20071201 大连理工大学硕士学位论文1绪论激光是上世纪继原子能和计算机之后发展起来的又一项重大高新技术,其优异特性体现在单色性、空间和时间相干性、方向性和能量密度高度集中等方面ll】。激光加工是激光技术一项十分重要的应用。激光加工是将能量聚焦到微小空间,利用这一高密度能量进行非接触、高速度、高精度加工的方法,这是一种摆脱传统的机械加工、热处理加工之类的全新加工方法。自从20世纪60年代美国采用红宝石激光器在钻石上打孔以来,激光加工技术经过几十年的发展,已成为工业生产中的一项

2、常用技术12j。激光加工甚至有取代传统加工方法的趋势,这对传统加工方法来说是一种挑战。激光加工按其加工方法可分为切割、焊接、熟处理及表面处理、雕刻、打孔、刻蚀以及激光成形和激光快速成形等,图1.1为目前各秘激光加工技术的应用比例21。 图1.1各种激光加工技术的应用比例Fig.1.1The applicationratioofdifferentlaserprocessingtechnologies目前增长最快的加工类别是激光焊接。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法,是现代高科技发展的产物。激光焊接具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,对于一些特殊

3、的材料及结构的焊接具有非常重要的作用,这种焊接方法在航天航空、电子、汽车制造、核动力等高新技术领域中得到应用,并日益受到工业发达国家的重视嘲。殷钢111var36是典型的Fe-Ni系低膨胀合金,应用领域已经逐渐从传统的精密仪器领域向电子工业和特殊结构材料领域拓展。目前国内外文献提及的殷钢材料焊接方式的研究主要集中在传统焊接领域。使用激光焊接殷钢材料是一种新型的殷钢焊接方法,目前还未形成成熟的工艺,因此开展这方面的研究具有重要的理论意义和应用价值。本文在理论分析的基础上对殷钢薄板材料激光焊接试验进行了综合研究,丰富了殷钢合金焊接方法。 大连理工大学硕士学位论文 图3.2JK701型lqd:YAG

4、固体激光器Fig.3.2.J'K701Nd:YAG solid laser表3.1GSI LUMONICS JK701激光器参数Tab.3.1Output Specification ofGSI LUMONICS JK7013.1.2检测条件(1采用如图3.3所示的LMT-5040精密数控激光加工机及CCD监视系统监测焊接进程,并检测焊缝宽度。(2制样设备主要有砂轮、预磨机、抛光机和镶嵌机等。(3采用MX40型光学显微镜检测焊缝的微观组织。(4采用QuantaD7688型扫描电镜和EDAX能谱仪检测焊缝和母材的化学成分。(5采用FM-700型显微硬度测量仪检测焊缝区域及母材的显微硬度检

5、测。(6采用CMT4204电子万能拉伸试验机测量对焊试样及母材的力学性能。(7采用SHIMADZU XRD.6000型x射线衍射析仪进行物相分析。殷钢薄板材料激光焊接试验研究 图3.3COD监视系统和数控操作系统Fig.3.3CCD monitoring system and NC opefaion system3.2试验材料关于殷钢材料激光热传导焊接目前研究较少,本课题也仅仅是进行薄板殷钢材料激光焊接的探索性研究。基于此点,本课题选用的试验材料为室温下应用最为广泛的殷钢合金Invar36。主要化学成分见表1.1,殷钢合金的相关物理学参数见表3.2脚1。表3.2殷钢Invar36物理学参数Ta

6、b.3.2Physical char蝴ofInvar36alloy热导率X熔点Tm密度p电阻率p比热岛l平均热膨胀系数(W/mK(幢,O(IIrhn(J/0tg.K"1n衅l州75。(k.14.631114278.100.785151.6x10.6试验研究的是0.5mm和0.8m两种厚度的殷钢薄板焊接,采用线切割方法将材料制成15minxlommxa(a为材料厚度的试件,沿长度方向(15ram进行单道平板扫描试验和对焊试验。3.3试验参数的选择由于激光焊接是光与物质的相互作用,为了获得良好的焊接效果,就必须根据材料对光的吸收、反射以及材料的物理性能等来选择合适的工艺参数。脉冲激光焊接

7、的主要影响参数包括功率密度、脉冲宽度、脉冲形式、焊接速度、脉冲频率、离焦量等。本节结合薄板殷钢材料焊接的实际情况,讨论功率密度、脉冲宽度、焊接速度、脉冲频率、离焦量变化对焊接过程的影响,给出各工艺参数的选择方法。 殷钢薄板材料激光焊接试验研究式中v为焊接速度(m/s,为焊缝宽度(m,厂为脉冲频率(Hz,七为重叠系数,取值范围O.30.9,板厚增加,_j值增大。热传导焊接中,激光器发出重复频率激光脉冲,每个激光脉冲形成一个熔斑,焊件与激光束相对移动速度决定了熔斑的重叠率,一系列的熔斑形成一条鱼鳞状的焊缝,如图3.5所示。在焊接试验过程中,按照零件尺寸的大小,选择脉冲激光器的平均功率,根据生产率即

8、焊接速度的要求,选定激光脉冲频率,而在一定的脉冲频率下,单脉冲能量则由激光器平均功率所限制,即p6J:P。爿f(3.8式中E为激光单脉冲的能量(J。例如,一台激光平均功率为200W的Nd:YAG激光器,重复频率为40Hz时,单脉冲能量为5J;重复频率为20Hz时,单脉冲能量为10J。为了焊接一个工件,选定激光脉冲频率时,要综合考虑单脉冲能量的大小,形成熔斑的熔化深度、宽度是否够用。不能为了追求焊接速度,一味的提高脉冲频率,只有在适当的脉冲频率下,才能得到满意的焊缝。 图3.5鱼鳞状焊缝的效果图(50xFig.3.5Fish scale surface morphology ofthe weld

9、 bead3.3.4离焦量对焊接的影响与普通光源比较,激光是一束方向性很好的光源,但并非绝对平行光。激光在平面上能量分布为高斯函数。按照高斯光束传播播理论,激光经过透镜后会出现束腰,即最 大连理工大学硕士学位论文3。4.2试样焊接试验(1试样表面单道平板扫描试验。激光直接扫描单片试样金属表面,光被表面吸收转变成熟能,通过热传导在扫描路径上形成一定宽度的熔缝,见图3.7。 图3.7激光单道平板扫描示意图Fig.3,7Bead-on-plate%pcriment sketch通过激光单道平板扫描试验分析焊接工艺参数(激光功率、脉宽、扫描速度和离焦量等对熔缝的熔宽、熔透性以及表面形貌的影响;得出激光

10、单道平板扫描过程中熔缝的表面质量和熔透性达到最优的激光加工参数。本试验先从0.5mm厚度薄板焊接开始研究,初步掌握各项因素的影响规律,然后再进一步进行0.8mm薄板的激光焊接研究。(2激光对焊两片金属齐缝放置,激光同时直照两片金属。被光照射部分熔化流入缝内后与两片金属母材的熔化部分一起凝固,形成焊接(图3.8。通过对单道平板扫描熔缝的表面质量、熔宽以及熔透性的综合评价,选择合理的工艺参数组合激光对焊15minx lOmm×a(a为0.5m和0.8皿D试样,焊后试样清洗保存,为后期检测作准备。特别指出,用于拉伸性能检测的对焊试样尺寸规格按照国家标准GB/T2282002加工制备。殷钢薄

11、板材料激光焊接试验研究 图3.8激光对焊示意图Fig.3.8Butt weld experiment sketch3.4.3焊接试样质量检测本节主要介绍焊接试验过程中涉及的检测项目,具体的操作及测试工作将在第五章作详细介绍。(1激光单道平板扫描熔缝质量检测单道平板扫描试验的检测项目主要是对熔缝的外观质量进行检测。首先采用LMT-5040精密数控激光加工机床的X-Y轴定位系统配和CCD监视系统在线检测熔缝的熔宽;然后肉眼观察熔缝的熔透性,并采用MX40型显微镜对熔缝的表面质量迸行仔细的检查,判断是否有有明显的气孔、裂纹、烧穿、塌边等焊接缺陷;(2激光对焊焊缝检测对焊接接头进行质量检验是非常关键的

12、一步。除了对对焊接头进行与单道平板扫描熔缝相同的检测项目之外,还需要采用扫描电镜和能谱仪分析接头区域的成分变化;采用电子万能拉伸试验机和显微硬度计测试接头的拉伸性能和显微硬度分布;使用奥林巴斯显微镜和x射线衍射仪(对焊接接头进行显微组织检测和相分析。(3基体检测基体的显微组织、抗拉强度和相分析与对焊焊接接头的检测手段相同。目的是通过前后对比分析激光焊接方式对殷钢合金的显微组织、强度和硬度等方面的影响。3.5本章小结(1本章介绍了殷钢薄板热传导焊接过程中选用的激光加工设备、检测设备和材料条件。 殷钢薄板材料激光焊接试验研究4激光焊接试验4.1单因素激光焊接试验焊接薄板材料时人们总是希望可以得到牢

13、固美观的焊缝和较小的热影响区。激光焊接时工艺参数的选择与焊缝质量有着密切的关系。由于该试验影响因素很多,目前还没有相关的殷钢薄板激光焊接工艺参数记录可以参考,因此必须对各项工艺参数进行试验研究。本试验采用单因素试验方法考察激光焊接工艺参数对殷钢薄板焊接结果的影响。所谓单因素试验,是指在一项试验中只有一个因素改变,其它的可控因素不变的试验方法。本章节对两种不同厚度规格(0.5mm和O.8mm殷钢薄板的单道平板扫描试验进行了研究,目的是分析不同的激光加工参数(包括激光功率、脉宽、焊接速度和离焦量等对焊接结果的影响。首先对厚度为O.5mm的殷钢薄板单道平板扫描试验进行了研究,初步掌握各项因素的影响规

14、律之后,再进一步研究厚度为0.8mm殷钢薄板激光焊接。焊接试验结束后,分别用肉眼和显微镜观察试件的熔透性和焊接质量,利用激光器的CCD和数控设备在线测量熔缝的上表面(正对激光光源的表面宽度。表4.1为引用实例描述的激光焊接特征和结果。以下其它试验表格中涉及的焊接特征和结果参照表4.1。表4.1殷钢激光焊接试验的焊接特征及效果Tab.4.1Welding characteristics and results in bead-on-plate ecperiraent焊接效果焊接特征焊淼面焊缝下表面(50X *未熔透,下表面没5有焊接纹理 一般鬻嬲大连理工大学硕士学位论文焊接效果焊接特征焊缝上表面

15、(50X焊缝下表面(50X 一般熔透焉翥纹理 好轰嚣 熔透,轻微塌边;一般上、下表面焊接纹理清晰 熔透,塌边严重;差上,下表面焊接纹理清晰 髓熔盖篡蝴回啊税车L 极差髂穿出孔洞一33. 殷钢薄板材料激光焊接试验研究 图4.1aA2的上表面形貌(50XFig.4.1aTop surfacemorphologyofA2 图4.2aA3的上表面形貌(50XFig.4.2aTop sul'face morphology ofA3 图4.3aB4的上表面形貌(50XFig.4.3aTop surface morphology of B4图4.1bA2的下表面形貌(50XFig.4.1bRearf

16、ltu'facagmorphologyofA2图4.2bA3的下表面形貌(50XFig.4.2bRear surfac,e moqDhology of A3图4.3b134的下表面形貌(50XFig.4.3bRear surface morphology of 1344.2.2脉宽的影响脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一。其它参数不变、增大脉宽使作用到工件表面的实际激光功率密度降低,见公式(3.4.表4.3试验结果表明:其他参数不变、脉宽从1.5ms增大到8ms使得熔缝区从未完全熔透过渡到完全熔透,也就是说增加脉宽使焊接试样的熔深增大;并且熔宽也随着脉大连理工大学硕士学位论文宽增大而增大

17、。分析原因是因为在激光功率密度超过殷钢材料熔化阈值的条件下,增大脉宽相当于延长了传热时间,导致熔深和熔宽增大。另外,增加脉宽可以提高焊接质量,因为这有助于彻底排除熔池内的气体,从而防止金属冷却后形成气孔。对比图4.4和图4.1可以看出,在激光功率、频率、焊接速度等为定值情况下,脉宽tp=Sms时,0.5mm薄板的熔透性更好。表4.3脉宽t,变化对0.5mm厚薄板激光焊接的影响(v=200mm/minTab.4.3Welding results infinnced by pulse time in bead-on-plate experiment(0.5mm 图4.4a C3的上表面形貌(50X

18、Fi94.4a Top surface morphology ofC3图4.4b c3的下表面形貌(50X Fi94.41Rear surface morphology ofC3 大连理工大学硕士学位论文 图4.5aD2的上表面形貌(50XFig.4.5aTop surface morphology of D2 图4.6aD5的上表面形貌(50XFig.4.6aTop SUl-fac2morphology of D5图4.5b12的下表面形貌(50XFig.4.5bRear sllrface morphology of D2图4.6b D5的下表面形貌(50XFig.4.6bRear surf

19、ac,e morphology of I54.2.4离焦量的影响焊接薄板材料时,宜采用正离焦【36】。为了分析离焦量变化对薄板殷钢材料焊接结果的影响,试验过程中的离焦量均为正。由表4.5可知:其它参数一定的情况下,随离焦量增大熔宽增大,熔深逐渐变浅,熔透性减弱。这是因为离焦量增大,光斑面积增大,光斑面积覆盖的熔融区大小直接影响了熔宽大小;但是由于光斑面积增大,作用到工件表面的激光功率密度降低,进而使相同时间内金属的熔化量减少,熔透性降低。因此,理想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。对于0.5mm薄板殷钢材料来说,试验过程中离焦量选在2,-4mm都可以得到牢固美

20、观的焊缝(见图4.1、图4.7、图4.8。殷钢薄板材料激光焊接试验研究表4.5离焦量对0.5m厚薄板激光焊接的影响(f=20HzTab.4.5Welding results influnced by defocusing distance in bead-onplate experiment(0.5ram图4.7a El的上表面形貌(50XFig.4.7a Top￥urfaeAg morphology of El图4.8a E2的上表面形貌(50XFig.4.8a Top￥1Lr'foP.4￥morphology of E2-40-图4.7b E1的下表面形貌(50X Fig.4.7b

21、 Rear surface morphology of E1图4.8b E2的下表面形貌(50X Fig.4.8b Rear surface morphology of E2大连理工大学硕士学位论文 图4.9a E5的上表面形貌(50X Fig.4.9a Top ball'face morphology of E5图4.9b E5的下表面形貌(50XFig.4.9b Rear￥ul'faco morphology of E5以上通过单因素、单道平板扫描试验分析了激光功率,单脉冲能量、脉宽、焊接速度和离焦量变化对0.5mm薄板殷钢材料焊接效果的影响。对比熔缝的熔宽、熔深和表面质量

22、,比较理想的参数组合为El、E2和A2组,即:在激光功率66W1单脉能量3.3J、脉宽8ms、焊接速度200mm/min、频率20Hz、离焦量2,-4ram情况下能够得到较为理想的焊缝。为了综合评价焊缝质量和性能,本文选择了熔透性相对稍差一些的A2组试验参数(激光功率66w、单脉能量3.3J、焊接速度200ram/rain、频率20Hz、离焦量4ram对0.5mm殷钢薄板试样进行了对焊,如果利用这组数据对焊的试样焊接性能可以满足使用要求,那么其它两组熔透性较好的试样也应该能满足要求。关于对焊试样的质量、性能检测详见第5章节。4.30.8mm殷钢薄板单道平板扫描试验根据0.5mm殷钢薄板的单道平

23、板扫描试验结果可知:脉宽短,所需热功率密度高,激光参数可焊范围窄;增加脉宽,所需热功率密度低,激光参数可焊范围宽;增加激光功率、单脉冲能量或者减小焊接速度、离焦量都可以使熔深和熔宽增大。此外焊接速度大小对焊缝表面形貌有显著影响。参照O.5mm薄板殷钢材料焊接试验的结论,考虑到板材厚度增加,本节O.80mm殷钢薄板单道平板扫描试验参数初选为:脉宽8ms,激光功率l10w/库t脉冲能量5.5J、扫描速度120mm/min、离焦量3mm、激光频率20Hz。经验证,作用于工件表面的实际功率密度为O.5875x105,超过脉宽为8ms时的熔点功率密度阈值。试验过程与焊接0.5ram薄板类似,同样通过单因

24、素试验选择出合理的工艺参数数值。试验数据以及焊接效果见表4.6,其中(al-,-a4组变量为激光功率/单脉冲能量,(a3、bl-b2组变量为脉宽,(bl、c1-c3组变量为扫描速度,(dl、bl-b2组变量为离焦量,激光频率定为20Hz。 大连理工大学硕士学位论文通过大量试验可以发现,激光功率/单脉冲能量,脉宽、扫描速度和离焦量对焊接结果的影响规律与O.5mm厚度殷钢合金焊接类似。试验过程中焊接效果比较好的工艺参数组合为a3、a4和bl,即:激光功率150,-170W/单-脉冲能量7.58.5J,脉宽6,-8ms,扫描速度120ram/rain,离焦量3mm,频率20Hz。其中利用b1组试验数

25、据得到的熔宽最小,焊接效果见图4.10。因此选用b1组参数对O.8mm薄板殷钢材料进行激光对焊。 图4.10a bl的上表面形貌(50XFig.4.10a Top surface morphology of bl 图4.10b bl的下表面形貌(50XFig.4.10b Rear surface morphology of bl4.4本章小结为了掌握各项工艺参数(激光功率、单脉冲能量、脉宽、焊接速度和离焦量对薄板殷钢激光焊接结果的影响,本章采用单因素法对两种不同厚度(O.5mm和0.8mm的殷钢薄板进行了试验研究。(1总结了激光功率、脉宽、焊接速度和离焦量的变化对殷钢薄板焊接的影响,分析了成因。结果表明:对同一厚度殷钢材料,增加脉宽,所需热功率密度低,激光参数可焊范围宽;对于不同厚度的殷钢材料,增加激光功率/单脉冲能量、脉宽或者减小焊接速度、离焦量可以使熔深增大;增加激光功率/单脉冲能量、脉