镭射点焊
目前生产中所使用的点焊方式大多为电阻点焊,它易於实现自动化和机械化,生产效率高。但是也存在很多问题,比如无损检测困难,接头强度低等。随著各种焊接方式的不断产生和发展,点焊方式也呈现多样化。目前已经应用於生产的就有电阻点焊、电弧点焊、镭射点焊和胶接点焊等多种点焊方法。
镭射点焊作为一种新的点焊方式,与传统的电阻点焊相比具有其特有的优势。由於采用镭射作热源,点焊速度快、精度高,热输入量小,工件变形小;镭射的可达性较好,可以减少点焊时位置与结构上的限制;镭射点焊属於无接触焊接,焊点之间的距离、搭接量等参数的调节范围大;不需要大量的辅助设备,能够较快的适应产品变化,满足市场需求。镭射点焊所具有的高精度、高柔性的特点使其在实际生产,特别是航空工业的应用中能够取代传统的电阻点焊和铆接等工艺。
目前镭射点焊技术多应用在大批量自动化生产的微小元件的组焊中,采用高频率、低功率的脉冲雷射器,所得焊点热影响区小,焊点无污染,焊接品质高。
镭射焊点分析:
镭射焊点表面存在金属堆积,焊点中心则呈现不同程度的下塌,这主要是由於金属来不及回填产生的。当镭射功率达到一定值时,熔池中的液态金属急剧蒸发形成匙孔,并产生一个反冲力,把液态金属推向熔池的边缘,堆积在焊点周围。当镭射停止作用时,金属不再蒸发,反冲力消失,堆积的金属在重力的作用下重填匙孔,同时液态金属冷却凝固。如果金属在没有完全回填匙孔的情况下凝固,就会在焊点表面形成下塌。相对於连续焊来说,由於镭射点焊加热时间短,金属的冷却凝固速度很快,所以下塌现象更明显。另外,在点焊过程中还存在著金属的损失,这种损失一方面是由於镭射点焊时金属急剧蒸发,另一方面是金属蒸发时产生的反冲压力造成金属的飞溅。
在未熔透情况下焊点表面均无下塌现象,且功率变化对熔深的影响较大。焊点完全熔透,此时表面出现明显下塌,甚至在焊点的表面中心形成凹坑,镭射功率越大,凹坑现象越明显。气孔现象要比熔透情况下明显。气孔位置一般出现在熔合面附近,这可能是由於镭射功率较小时熔池的搅动不够剧烈,熔池中的气泡无法很快的上浮,从而形成气孔。
离焦量对焊点焊的影响
离焦量的变化直接改变了光点直径与能量密度的大小,离焦量向负方向和正方向增大时,都意味著光点直径的增大和能量密度的减小。在镭射点焊过程中,光点直径与镭射入射在试件上所形成的初始匙孔大小存在一定的对应关系,而能量密度则决定了熔池的扩展速度。当离焦量绝对值较小时,镭射光点直径小,镭射功率密度大,焊点熔池扩展的速度较快,但初始匙孔的直径小;相反情况下,离焦量较大,初始匙孔的直径大,但是熔池扩展速度变慢,得到的焊点尺寸不一定很大,故在离焦量的变化过程当中光点直径和焊点表面功率密度的综合作用决定了焊点尺寸的大小。
镭射点焊具有的特性:
(1) 随著镭射功率的增加,焊点表面直径出现上下波动,熔合面直径和下表面直径增长缓慢。焊点截面形态的变化不明显。而随著持续时间的增加,焊点尺寸增长很快,熔合面直径的变化速率要大於上下表面直径的变化速率。离焦量的变化对焊点尺寸的影响很大。它直接改变了光点直径和镭射功率密度,这两者的综合作用决定焊点尺寸的大小。
(2) 在熔透情况下,镭射点焊的焊点表面存在明显的下塌。随著镭射功率和持续时间的增加,焊点表面的下塌深度增大,在持续时间或者间隙尺寸较大的情况下,下表面还会出现内凹。
(3) 随著间隙的增加,焊点整体变形,中心的下塌和内凹都很明显,且熔合面出现收缩现象,强度下降很快。
目前在焊接电阻、电池及电子领域常用同时焊接两个点的工艺,通常采用两个镭射光源设计。
奥华双光点镭射焊接机是雷射光束经过分光镜分为两束相同的雷射光束,经镜片组聚为两个光点.应用高能脉冲镭射对物件进行焊接,雷射脉冲的高能量、高密度可使焊接平整、焊缝宽度小热影响区小,能完成传统工艺无法实现的精密焊接。此机型具有两个光点同步运行,效率提高两倍,两光点距离可自由调节。
射焊接工艺方法不同可进行如下分类:
1、片与片间的焊接。
包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。
对焊要求对缝品质较高,一般采用自动化焊接或手动焊接。
参考机型:
→镭射通用焊接机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器)
→光纤传输镭射焊接机
2、丝与丝的焊接。
包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。
对这种焊接一般不适合自动焊接,采用手动焊接或半自动焊接。
参考机型:
→镭射通用焊接机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
→光纤传输镭射焊接机:
→镭射点焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
→镭射模具烧焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
3、金属丝与块状元件的焊接。
采用镭射焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接,块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。
参考机型:
→镭射点焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):→镭射模具烧焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):4、不同块的组焊及密封焊。在元件物体上缝上进行密封焊接及组焊,如感测器等
参考机型:
→镭射通用焊接机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):→光纤传输镭射焊接机:→镭射模具烧焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
5、块状物件补焊。采用镭射将镭射焊丝熔化沉积到基材上。一般适合模具等产品修补。参考机型:
→镭射模具烧焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
→镭射点焊机(氙灯泵浦Nd:YAG雷射器):
镭射焊接的工艺参数。
1、功率密度。
功率密度是镭射加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对於材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对於较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型镭射焊接中,功率密度在范围在104~106W/CM2。
2、雷射脉冲波形。
雷射脉冲波形在镭射焊接中是一个重要问题,尤其对於薄片焊接更为重要。当高强度雷射光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的镭射能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个雷射脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。
3、雷射脉冲宽度。
脉宽是脉冲镭射焊接的重要参数之一,它既是区别於材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。
4、离焦量对焊接品质的影响。
镭射焊接通常需要一定的离做文章一,因为镭射焦点处光点中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开镭射焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。
离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位於工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,镭射加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。
2激光焊接引起的危害
激光焊接时,工作人员处于强激光的附近,如防护不好,可能会对眼睛、皮肤以及神经系统引起危害。
2.1激光对眼睛的危害
人对物体的视觉形成过程是:物体发出的可见光刺激视网膜上的感光细胞,然后经视神经传给大脑。
我国规定的眼睛直视激光束的最大允许照射量见表1。
2.2激光对神经的影响
激光对神经的影响系通过电磁效应而产生。激光可通过皮肤对神经末梢起作用,国外许多从事相关研究的专家通过对家兔、豚鼠的研究证实了这一点。
2.3激光对皮肤的损伤
当视网膜受到光强很大的激光照射时,轻则使视神经发痛,重则使视网膜损坏。
人的眼睛作为一个生物聚焦系统,聚焦后作用在视网膜上的功率密度较进入角膜前可提高2~5×105倍。显然,高度平行的激光对人眼可能引起的损伤必须高度重视。
激光对眼睛的损伤与激光波长、功率或能量、脉宽、环境等有关。
功率越大,波长越短,损伤越严重;夜间或在暗室时,瞳孔大,进入眼睛的能量大,危害大。
激光对皮肤的损害主要是烧伤。研究表明,深色皮肤较浅色皮肤的吸收率高;皮肤对CO2激光的吸收率高:吸收的能量主要沉积在皮肤浅层。
我国规定的激光照射皮肤的最大允许照射量见表2。
表3是美国食品与药物组织(FDA)1993年公布的对人眼和皮肤安全的不同波长激光束的剂量和最大允许的曝光时间。
3激光辐射时危害的控制
为了确保激光焊接时的安全与防护,对激光危害必须严加控制,控制方法主要是工程控制、个人防护以及安全管理等。
3.1工程控制
工程控制是指对激光器或激光加工系统在结构上所采取的安全措施,主要包括:
(1)防护罩:用以防止工作人员接受超过最大允许照射量。
(2)安全连锁:是指与防护罩相连的、在移开防护罩时可避免辐射的自动装置。
(3)钥匙开关:这是一个广义概念,泛指取下钥匙时,激光器转。
(4)安全光路:对辐照可能引起燃烧或次级辐射的光路予以封闭。
(5)光束终止:为了使激光束不超越受控的加工作业区,可使用光束终止器或衰减器。
3.2个人防护
个人防护主要是指:
(1)配戴激光防护眼镜:激光防护眼镜的滤光片选择性地衰减特定的激光波长,并尽可能多地透过非防护的可见辐射。激光防护眼镜可分为普通眼镜型、边框不透光的防侧光型以及边框部分透光的半防侧光型。
(2)配戴激光防护面罩:主要用于紫外激光源,激光防护面罩不仅可以保护眼睛,尚可保护面部皮肤。
(3)激光防护手套:高功率、高能量的激光无论直射或散射均会造成损害,因而,佩戴激光防护手套也是必要的。
(4)穿戴激光防护服:对工作人员皮肤可能受到最大允许照射量的岗位,应提供防护服,防护服应耐火、耐热。
3.3安全管理
安全管理主要包括设置专门机构或人员,明确职责、权利:包括安全培训以及医学监督等。