殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究_圖文

1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究姓名:周秋菊申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師:吳東江20071201 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論激光是上世紀(jì)繼原子能和計(jì)算機(jī)之后發(fā)展起來的又一項(xiàng)重大高新技術(shù),其優(yōu)異特性體現(xiàn)在單色性、空間和時(shí)間相干性、方向性和能量密度高度集中等方面ll】。激光加工是激光技術(shù)一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用。激光加工是將能量聚焦到微小空間,利用這一高密度能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度加工的方法,這是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械加工、熱處理加工之類的全新加工方法。自從20世紀(jì)60年代美國采用紅寶石激光器在鉆石上打孔以來,激光加工技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已成為工業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)

2、常用技術(shù)12j。激光加工甚至有取代傳統(tǒng)加工方法的趨勢,這對傳統(tǒng)加工方法來說是一種挑戰(zhàn)。激光加工按其加工方法可分為切割、焊接、熟處理及表面處理、雕刻、打孔、刻蝕以及激光成形和激光快速成形等,圖1.1為目前各秘激光加工技術(shù)的應(yīng)用比例21。 圖1.1各種激光加工技術(shù)的應(yīng)用比例Fig.1.1The applicationratioofdifferentlaserprocessingtechnologies目前增長最快的加工類別是激光焊接。激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法,是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物。激光焊接具有高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),對于一些特殊

3、的材料及結(jié)構(gòu)的焊接具有非常重要的作用,這種焊接方法在航天航空、電子、汽車制造、核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用,并日益受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視嘲。殷鋼111var36是典型的Fe-Ni系低膨脹合金,應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的精密儀器領(lǐng)域向電子工業(yè)和特殊結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域拓展。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)提及的殷鋼材料焊接方式的研究主要集中在傳統(tǒng)焊接領(lǐng)域。使用激光焊接殷鋼材料是一種新型的殷鋼焊接方法,目前還未形成成熟的工藝,因此開展這方面的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文在理論分析的基礎(chǔ)上對殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)進(jìn)行了綜合研究,豐富了殷鋼合金焊接方法。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3.2JK701型lqd:YAG

4、固體激光器Fig.3.2.J'K701Nd:YAG solid laser表3.1GSI LUMONICS JK701激光器參數(shù)Tab.3.1Output Specification ofGSI LUMONICS JK7013.1.2檢測條件(1采用如圖3.3所示的LMT-5040精密數(shù)控激光加工機(jī)及CCD監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)測焊接進(jìn)程,并檢測焊縫寬度。(2制樣設(shè)備主要有砂輪、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)和鑲嵌機(jī)等。(3采用MX40型光學(xué)顯微鏡檢測焊縫的微觀組織。(4采用QuantaD7688型掃描電鏡和EDAX能譜儀檢測焊縫和母材的化學(xué)成分。(5采用FM-700型顯微硬度測量儀檢測焊縫區(qū)域及母材的顯微硬度檢

5、測。(6采用CMT4204電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測量對焊試樣及母材的力學(xué)性能。(7采用SHIMADZU XRD.6000型x射線衍射析儀進(jìn)行物相分析。殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究 圖3.3COD監(jiān)視系統(tǒng)和數(shù)控操作系統(tǒng)Fig.3.3CCD monitoring system and NC opefaion system3.2試驗(yàn)材料關(guān)于殷鋼材料激光熱傳導(dǎo)焊接目前研究較少,本課題也僅僅是進(jìn)行薄板殷鋼材料激光焊接的探索性研究?；诖它c(diǎn),本課題選用的試驗(yàn)材料為室溫下應(yīng)用最為廣泛的殷鋼合金Invar36。主要化學(xué)成分見表1.1,殷鋼合金的相關(guān)物理學(xué)參數(shù)見表3.2腳1。表3.2殷鋼Invar36物理學(xué)參數(shù)Ta

6、b.3.2Physical char蝴ofInvar36alloy熱導(dǎo)率X熔點(diǎn)Tm密度p電阻率p比熱島l平均熱膨脹系數(shù)(W/mK(幢,O(IIrhn(J/0tg.K"1n釁l州75。(k.14.631114278.100.785151.6x10.6試驗(yàn)研究的是0.5mm和0.8m兩種厚度的殷鋼薄板焊接,采用線切割方法將材料制成15minxlommxa(a為材料厚度的試件,沿長度方向(15ram進(jìn)行單道平板掃描試驗(yàn)和對焊試驗(yàn)。3.3試驗(yàn)參數(shù)的選擇由于激光焊接是光與物質(zhì)的相互作用,為了獲得良好的焊接效果,就必須根據(jù)材料對光的吸收、反射以及材料的物理性能等來選擇合適的工藝參數(shù)。脈沖激光焊接

7、的主要影響參數(shù)包括功率密度、脈沖寬度、脈沖形式、焊接速度、脈沖頻率、離焦量等。本節(jié)結(jié)合薄板殷鋼材料焊接的實(shí)際情況,討論功率密度、脈沖寬度、焊接速度、脈沖頻率、離焦量變化對焊接過程的影響,給出各工藝參數(shù)的選擇方法。 殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究式中v為焊接速度(m/s,為焊縫寬度(m,廠為脈沖頻率(Hz,七為重疊系數(shù),取值范圍O.30.9,板厚增加,_j值增大。熱傳導(dǎo)焊接中,激光器發(fā)出重復(fù)頻率激光脈沖,每個(gè)激光脈沖形成一個(gè)熔斑,焊件與激光束相對移動速度決定了熔斑的重疊率,一系列的熔斑形成一條魚鱗狀的焊縫,如圖3.5所示。在焊接試驗(yàn)過程中,按照零件尺寸的大小,選擇脈沖激光器的平均功率,根據(jù)生產(chǎn)率即

8、焊接速度的要求,選定激光脈沖頻率,而在一定的脈沖頻率下,單脈沖能量則由激光器平均功率所限制,即p6J:P。爿f(3.8式中E為激光單脈沖的能量(J。例如,一臺激光平均功率為200W的Nd:YAG激光器,重復(fù)頻率為40Hz時(shí),單脈沖能量為5J;重復(fù)頻率為20Hz時(shí),單脈沖能量為10J。為了焊接一個(gè)工件,選定激光脈沖頻率時(shí),要綜合考慮單脈沖能量的大小,形成熔斑的熔化深度、寬度是否夠用。不能為了追求焊接速度,一味的提高脈沖頻率,只有在適當(dāng)?shù)拿}沖頻率下,才能得到滿意的焊縫。 圖3.5魚鱗狀焊縫的效果圖(50xFig.3.5Fish scale surface morphology ofthe weld

9、 bead3.3.4離焦量對焊接的影響與普通光源比較,激光是一束方向性很好的光源,但并非絕對平行光。激光在平面上能量分布為高斯函數(shù)。按照高斯光束傳播播理論,激光經(jīng)過透鏡后會出現(xiàn)束腰,即最 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文3。4.2試樣焊接試驗(yàn)(1試樣表面單道平板掃描試驗(yàn)。激光直接掃描單片試樣金屬表面,光被表面吸收轉(zhuǎn)變成熟能,通過熱傳導(dǎo)在掃描路徑上形成一定寬度的熔縫,見圖3.7。 圖3.7激光單道平板掃描示意圖Fig.3,7Bead-on-plate%pcriment sketch通過激光單道平板掃描試驗(yàn)分析焊接工藝參數(shù)(激光功率、脈寬、掃描速度和離焦量等對熔縫的熔寬、熔透性以及表面形貌的影響;得出激光

10、單道平板掃描過程中熔縫的表面質(zhì)量和熔透性達(dá)到最優(yōu)的激光加工參數(shù)。本試驗(yàn)先從0.5mm厚度薄板焊接開始研究,初步掌握各項(xiàng)因素的影響規(guī)律,然后再進(jìn)一步進(jìn)行0.8mm薄板的激光焊接研究。(2激光對焊兩片金屬齊縫放置,激光同時(shí)直照兩片金屬。被光照射部分熔化流入縫內(nèi)后與兩片金屬母材的熔化部分一起凝固,形成焊接(圖3.8。通過對單道平板掃描熔縫的表面質(zhì)量、熔寬以及熔透性的綜合評價(jià),選擇合理的工藝參數(shù)組合激光對焊15minx lOmm×a(a為0.5m和0.8皿D試樣,焊后試樣清洗保存,為后期檢測作準(zhǔn)備。特別指出,用于拉伸性能檢測的對焊試樣尺寸規(guī)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2282002加工制備。殷鋼薄

11、板材料激光焊接試驗(yàn)研究 圖3.8激光對焊示意圖Fig.3.8Butt weld experiment sketch3.4.3焊接試樣質(zhì)量檢測本節(jié)主要介紹焊接試驗(yàn)過程中涉及的檢測項(xiàng)目,具體的操作及測試工作將在第五章作詳細(xì)介紹。(1激光單道平板掃描熔縫質(zhì)量檢測單道平板掃描試驗(yàn)的檢測項(xiàng)目主要是對熔縫的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測。首先采用LMT-5040精密數(shù)控激光加工機(jī)床的X-Y軸定位系統(tǒng)配和CCD監(jiān)視系統(tǒng)在線檢測熔縫的熔寬;然后肉眼觀察熔縫的熔透性,并采用MX40型顯微鏡對熔縫的表面質(zhì)量迸行仔細(xì)的檢查,判斷是否有有明顯的氣孔、裂紋、燒穿、塌邊等焊接缺陷;(2激光對焊焊縫檢測對焊接接頭進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)是非常關(guān)鍵的

12、一步。除了對對焊接頭進(jìn)行與單道平板掃描熔縫相同的檢測項(xiàng)目之外,還需要采用掃描電鏡和能譜儀分析接頭區(qū)域的成分變化;采用電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度計(jì)測試接頭的拉伸性能和顯微硬度分布;使用奧林巴斯顯微鏡和x射線衍射儀(對焊接接頭進(jìn)行顯微組織檢測和相分析。(3基體檢測基體的顯微組織、抗拉強(qiáng)度和相分析與對焊焊接接頭的檢測手段相同。目的是通過前后對比分析激光焊接方式對殷鋼合金的顯微組織、強(qiáng)度和硬度等方面的影響。3.5本章小結(jié)(1本章介紹了殷鋼薄板熱傳導(dǎo)焊接過程中選用的激光加工設(shè)備、檢測設(shè)備和材料條件。 殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究4激光焊接試驗(yàn)4.1單因素激光焊接試驗(yàn)焊接薄板材料時(shí)人們總是希望可以得到牢

13、固美觀的焊縫和較小的熱影響區(qū)。激光焊接時(shí)工藝參數(shù)的選擇與焊縫質(zhì)量有著密切的關(guān)系。由于該試驗(yàn)影響因素很多,目前還沒有相關(guān)的殷鋼薄板激光焊接工藝參數(shù)記錄可以參考,因此必須對各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法考察激光焊接工藝參數(shù)對殷鋼薄板焊接結(jié)果的影響。所謂單因素試驗(yàn),是指在一項(xiàng)試驗(yàn)中只有一個(gè)因素改變,其它的可控因素不變的試驗(yàn)方法。本章節(jié)對兩種不同厚度規(guī)格(0.5mm和O.8mm殷鋼薄板的單道平板掃描試驗(yàn)進(jìn)行了研究,目的是分析不同的激光加工參數(shù)(包括激光功率、脈寬、焊接速度和離焦量等對焊接結(jié)果的影響。首先對厚度為O.5mm的殷鋼薄板單道平板掃描試驗(yàn)進(jìn)行了研究,初步掌握各項(xiàng)因素的影響規(guī)

14、律之后,再進(jìn)一步研究厚度為0.8mm殷鋼薄板激光焊接。焊接試驗(yàn)結(jié)束后,分別用肉眼和顯微鏡觀察試件的熔透性和焊接質(zhì)量,利用激光器的CCD和數(shù)控設(shè)備在線測量熔縫的上表面(正對激光光源的表面寬度。表4.1為引用實(shí)例描述的激光焊接特征和結(jié)果。以下其它試驗(yàn)表格中涉及的焊接特征和結(jié)果參照表4.1。表4.1殷鋼激光焊接試驗(yàn)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縫下表面(50X *未熔透,下表面沒5有焊接紋理 一般鬻嬲大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文焊接效果焊接特征焊縫上表面

15、(50X焊縫下表面(50X 一般熔透焉翥紋理 好轟囂 熔透,輕微塌邊;一般上、下表面焊接紋理清晰 熔透,塌邊嚴(yán)重;差上,下表面焊接紋理清晰 髓熔蓋篡蝴回啊稅車L 極差髂穿出孔洞一33. 殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究 圖4.1aA2的上表面形貌(50XFig.4.1aTop surfacemorphologyofA2 圖4.2aA3的上表面形貌(50XFig.4.2aTop sul'face morphology ofA3 圖4.3aB4的上表面形貌(50XFig.4.3aTop surface morphology of B4圖4.1bA2的下表面形貌(50XFig.4.1bRearf

16、ltu'facagmorphologyofA2圖4.2bA3的下表面形貌(50XFig.4.2bRear surfac,e moqDhology of A3圖4.3b134的下表面形貌(50XFig.4.3bRear surface morphology of 1344.2.2脈寬的影響脈寬是脈沖激光焊接的重要參數(shù)之一。其它參數(shù)不變、增大脈寬使作用到工件表面的實(shí)際激光功率密度降低,見公式(3.4.表4.3試驗(yàn)結(jié)果表明:其他參數(shù)不變、脈寬從1.5ms增大到8ms使得熔縫區(qū)從未完全熔透過渡到完全熔透,也就是說增加脈寬使焊接試樣的熔深增大;并且熔寬也隨著脈大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文寬增大而增大

17、。分析原因是因?yàn)樵诩す夤β拭芏瘸^殷鋼材料熔化閾值的條件下,增大脈寬相當(dāng)于延長了傳熱時(shí)間,導(dǎo)致熔深和熔寬增大。另外,增加脈寬可以提高焊接質(zhì)量,因?yàn)檫@有助于徹底排除熔池內(nèi)的氣體,從而防止金屬冷卻后形成氣孔。對比圖4.4和圖4.1可以看出,在激光功率、頻率、焊接速度等為定值情況下,脈寬tp=Sms時(shí),0.5mm薄板的熔透性更好。表4.3脈寬t,變化對0.5mm厚薄板激光焊接的影響(v=200mm/minTab.4.3Welding results infinnced by pulse time in bead-on-plate experiment(0.5mm 圖4.4a C3的上表面形貌(50X

18、Fi94.4a Top surface morphology ofC3圖4.4b c3的下表面形貌(50X Fi94.41Rear surface morphology ofC3 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4.5aD2的上表面形貌(50XFig.4.5aTop surface morphology of D2 圖4.6aD5的上表面形貌(50XFig.4.6aTop SUl-fac2morphology of D5圖4.5b12的下表面形貌(50XFig.4.5bRear sllrface morphology of D2圖4.6b D5的下表面形貌(50XFig.4.6bRear surf

19、ac,e morphology of I54.2.4離焦量的影響焊接薄板材料時(shí),宜采用正離焦【36】。為了分析離焦量變化對薄板殷鋼材料焊接結(jié)果的影響,試驗(yàn)過程中的離焦量均為正。由表4.5可知:其它參數(shù)一定的情況下,隨離焦量增大熔寬增大,熔深逐漸變淺,熔透性減弱。這是因?yàn)殡x焦量增大,光斑面積增大,光斑面積覆蓋的熔融區(qū)大小直接影響了熔寬大小;但是由于光斑面積增大,作用到工件表面的激光功率密度降低,進(jìn)而使相同時(shí)間內(nèi)金屬的熔化量減少,熔透性降低。因此,理想的離焦量可以使光斑能量的分布相對均勻,同時(shí)也可以獲得合適的功率密度。對于0.5mm薄板殷鋼材料來說,試驗(yàn)過程中離焦量選在2,-4mm都可以得到牢固美

20、觀的焊縫(見圖4.1、圖4.7、圖4.8。殷鋼薄板材料激光焊接試驗(yàn)研究表4.5離焦量對0.5m厚薄板激光焊接的影響(f=20HzTab.4.5Welding results influnced by defocusing distance in bead-onplate experiment(0.5ram圖4.7a El的上表面形貌(50XFig.4.7a Top￥urfaeAg morphology of El圖4.8a E2的上表面形貌(50XFig.4.8a Top￥1Lr'foP.4￥morphology of E2-40-圖4.7b E1的下表面形貌(50X Fig.4.7b

21、 Rear surface morphology of E1圖4.8b E2的下表面形貌(50X Fig.4.8b Rear surface morphology of E2大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4.9a E5的上表面形貌(50X Fig.4.9a Top ball'face morphology of E5圖4.9b E5的下表面形貌(50XFig.4.9b Rear￥ul'faco morphology of E5以上通過單因素、單道平板掃描試驗(yàn)分析了激光功率,單脈沖能量、脈寬、焊接速度和離焦量變化對0.5mm薄板殷鋼材料焊接效果的影響。對比熔縫的熔寬、熔深和表面質(zhì)量

22、,比較理想的參數(shù)組合為El、E2和A2組,即:在激光功率66W1單脈能量3.3J、脈寬8ms、焊接速度200mm/min、頻率20Hz、離焦量2,-4ram情況下能夠得到較為理想的焊縫。為了綜合評價(jià)焊縫質(zhì)量和性能,本文選擇了熔透性相對稍差一些的A2組試驗(yàn)參數(shù)(激光功率66w、單脈能量3.3J、焊接速度200ram/rain、頻率20Hz、離焦量4ram對0.5mm殷鋼薄板試樣進(jìn)行了對焊,如果利用這組數(shù)據(jù)對焊的試樣焊接性能可以滿足使用要求,那么其它兩組熔透性較好的試樣也應(yīng)該能滿足要求。關(guān)于對焊試樣的質(zhì)量、性能檢測詳見第5章節(jié)。4.30.8mm殷鋼薄板單道平板掃描試驗(yàn)根據(jù)0.5mm殷鋼薄板的單道平

23、板掃描試驗(yàn)結(jié)果可知:脈寬短,所需熱功率密度高,激光參數(shù)可焊范圍窄;增加脈寬,所需熱功率密度低,激光參數(shù)可焊范圍寬;增加激光功率、單脈沖能量或者減小焊接速度、離焦量都可以使熔深和熔寬增大。此外焊接速度大小對焊縫表面形貌有顯著影響。參照O.5mm薄板殷鋼材料焊接試驗(yàn)的結(jié)論,考慮到板材厚度增加,本節(jié)O.80mm殷鋼薄板單道平板掃描試驗(yàn)參數(shù)初選為:脈寬8ms,激光功率l10w/庫t脈沖能量5.5J、掃描速度120mm/min、離焦量3mm、激光頻率20Hz。經(jīng)驗(yàn)證,作用于工件表面的實(shí)際功率密度為O.5875x105,超過脈寬為8ms時(shí)的熔點(diǎn)功率密度閾值。試驗(yàn)過程與焊接0.5ram薄板類似,同樣通過單因

24、素試驗(yàn)選擇出合理的工藝參數(shù)數(shù)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及焊接效果見表4.6,其中(al-,-a4組變量為激光功率/單脈沖能量,(a3、bl-b2組變量為脈寬,(bl、c1-c3組變量為掃描速度,(dl、bl-b2組變量為離焦量,激光頻率定為20Hz。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文通過大量試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),激光功率/單脈沖能量,脈寬、掃描速度和離焦量對焊接結(jié)果的影響規(guī)律與O.5mm厚度殷鋼合金焊接類似。試驗(yàn)過程中焊接效果比較好的工藝參數(shù)組合為a3、a4和bl,即:激光功率150,-170W/單-脈沖能量7.58.5J,脈寬6,-8ms,掃描速度120ram/rain,離焦量3mm,頻率20Hz。其中利用b1組試驗(yàn)數(shù)

25、據(jù)得到的熔寬最小,焊接效果見圖4.10。因此選用b1組參數(shù)對O.8mm薄板殷鋼材料進(jìn)行激光對焊。 圖4.10a bl的上表面形貌(50XFig.4.10a Top surface morphology of bl 圖4.10b bl的下表面形貌(50XFig.4.10b Rear surface morphology of bl4.4本章小結(jié)為了掌握各項(xiàng)工藝參數(shù)(激光功率、單脈沖能量、脈寬、焊接速度和離焦量對薄板殷鋼激光焊接結(jié)果的影響,本章采用單因素法對兩種不同厚度(O.5mm和0.8mm的殷鋼薄板進(jìn)行了試驗(yàn)研究。(1總結(jié)了激光功率、脈寬、焊接速度和離焦量的變化對殷鋼薄板焊接的影響,分析了成因。結(jié)果表明:對同一厚度殷鋼材料,增加脈寬,所需熱功率密度低,激光參數(shù)可焊范圍寬;對于不同厚度的殷鋼材料,增加激光功率/單脈沖能量、脈寬或者減小焊接速度、離焦量可以使熔深增大;增加激光功率/單脈沖能量、脈