激光焊接技术应用

一、模具焊机在行业内的应用及特点

首先要了解模具缺陷的产生基本上是铸造过程中出现的沙眼、气孔；材料加工硬化和表面残余应力影响零件疲劳强度导致的裂痕；机加工过程中的失误导致的边、角缺损,划痕等几类因素造成。激光相对传统模具焊接的优势大致和应用在其他行业的优势类似，热影响小，加工件不易变形，准确度高，氩气保护后氧化率低，工件不变色，在修补模具小面积裂痕、崩角、飞边、复杂角度的沙孔等部位比传统的氩弧焊优势明显。氩弧焊由于焊接热影响大这个先天的缺点导致几乎不能焊接以上特点的缺陷，这方面激光是不可替代的。

但是由于机器相对氩弧焊的不灵活性，一些大型的模具并不适合激光焊，激光更多的用在修补大型模具的零部件和些手机、塑胶模具及类似其大小和精度的模具。往往一个很小的边角缺损以前要报废的用激光修补后可正常使用，几个焊点可挽回几万甚至十几万的损失。所以这也决定了模具修补行业低投入高回报的特点。

二、模具焊机的方案制订过程

据[]报道，在经过市场调研了解到模具补焊的行业前景后,我们提出了制造模具焊机的方案,基本思路是在原点焊机的基础上改型.其中几个重点部分是:为了能适应高强度,高硬度材料的补焊,要大幅度的提高激光能量;由于有些体积较大的模具,激光腔体要做成悬臂式;为了保证焊点的连续性和均匀性要增加放置模具的二维工作台,而不是以前点焊机的基本用手的定位方式。

三、激光焊接的分类及原理

根据激光对工件的作用方式或激光束的输出方式的不同,可以把激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊，前者形成一个个圆形焊点，后者形成一条连续的焊缝.脉冲焊接时输入到工件上的能量是断续的，脉冲的。脉冲激光焊中大量使用的脉冲激光器主要是YAG激光器。YAG激光器使用的重复频率宽。还可以将连续输出的YAG激光器和CO2激光器通过打开或者关闭装在激光器上面的光闸来用于脉冲焊接。

若根据激光焊时焊缝的形成特点又可把激光焊分为热传导焊和深熔焊（小孔激光焊）。模具焊接属于脉冲激光焊中的热传导焊，其原理是当激光功率密度小于105W/cm2时，激光将金属表面温度升高而熔化，从微观上来讲，激光吸入金属材料的深度只限于表面下的10-5cm，光子的能量主要被导电电子所吸收，电子在10-11~10-10S内将能量传给晶格，在时间大于10-9S以后便可以认为电子气温度相等了，从而建立起金属表面的总温度T的概念。所以激光对金属的加热可以看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，向金属深处传播遵循一般的热传导规律，其然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔化区域逐渐扩大，凝固后形成焊点，熔深轮廓近似为半球形，其特点是使用激光光斑功率密度小，很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，溶池形成时间长，且熔深浅，多用于小型零件的焊接。

当能量一定的激光照射到材料表面时，部分能量被反射，部分能量被吸收，对于透明材料就还有部分能量被透射。对于金属材料而言透射率为零，加上照射的总能量不变，所以如果材料的反射率增加就会降低吸收率，反之也成立。

我们在用激光打标或焊接样品时，经常碰到Au,Cu或亮度很高的不锈钢等材料，这类材料是自身的反射率高于其它材料或者表面粗糙度很小造成的高反射率。高的反射率决定了相对较低的吸收率，所以通常我们加大激光能量来达到要求的效果。当然还有其它的解决方法就是如果是材料自身的反射率高可以用更小波长如532nm的脉冲激光焊接铜等高反材料，因为金属材料的反射系数及所吸收的光能取决于激光辐射的

波长，激光器辐射波长越短,金属的反射系数就越小,所吸收的光能就越多，这个应用在国外很常见，这也是激光焊接发展的一个趋势。如果是钢铁材料表面粗糙度导致的高反射率,对红外波长的激光反射率也很高,给激光加工带来不利的一面,但钢铁工件表面经黑化处理后,提高它的吸收率，能吸收80%以上的激光功率。

四、激光焊接的工艺参数调整

脉冲能量

脉冲能量反映在我们点焊机上的参数就是调整电压,它决定了加热能量的大小,主要影响金属的熔化,当

能量增大时,焊点的熔深和直径增加,还有些平时我们忽略的问题,大的电压相对大脉宽而言焊点的组织结构更致密,很多地方我们要借鉴这个规律(例如焊PT料的首饰的经验参数是电压400V,脉宽2MS,如果在保证输出总能量不变的基础上调小电压增加脉宽,就会发现经过打磨抛光后有时有气孔,照原理来讲气孔大部分是熔深不够造成,而且脉宽对熔深的影响更大才对,但是更深层的想大脉宽小电压会导致焊点密度小结构疏松,这正提高了气孔产生的几率)

由于光脉冲能量分布不均匀性,最大熔深总是出现在光束的中心部位,光斑的外圈部分能量相对较弱所以焊点直径总是小于光斑直径,在很多精密焊接的时候我们要考虑到可见焊点以外的热影响区(例如焊镶宝石的戒指时要设的焊点尽量的小而且离宝石要有一定距离,否则外圈部分能量加上本来就存在的热影响会破

坏宝石的晶体结构;焊模具的薄面和边角时也要注意,不是把焊点对齐边角.而是保证熔化焊丝后的焊点离边角一定的距离)

脉冲宽度

脉冲宽度主要影响熔深,当脉冲能量一定时,调节脉冲宽度可以获得一个最大的熔深,此时为最佳的脉冲

宽度.它影响熔深的同时也影响焊料和工件基材的焊接强度,当脉冲宽度增加是脉冲能量也随之增加,在一定范围内,焊点熔深和直径也增加,因而接头强度随之也增加,然而当脉冲宽度超过一定的值以后,一方面热传导所造成的热损耗增加;另一方面,强烈的蒸发最终导致了焊点截面积减小,接头强度下降.大量研究和实验证明脉冲激光焊接的脉宽的范围在1~10ms.但是这个参数只是保证了熔深，很多时候对熔深的要求不高，对焊接后熔池的要求比较高。（例如高尔夫球头的补焊，如果焊接后的熔池下陷就要用比较深的研磨量，这个时候虽然你补焊的地方没问题了，但是由于铸造的缺陷导致表层下没发现的沙孔很有可能被磨出来，反复的补都不定能补好，在反复的研磨过程中球头的外型已经超过了误差的范围，只能报废。这个问题很多时候能通过增大脉宽来解决）。所以说在能保证熔深的情况下增加脉宽象前面说的能够减小焊接部分组织的密度，没被汽化的材料会由于热效应稍微突出于工件，这样就能用很小的研磨量不会磨出其它的沙孔。

脉冲波形

我们机器上的波形参数，FRONT ，BACK，ALL分别代表了前置波，后置波和前后置都有的波形。从原理上来解释前置波有利于工件的迅速预热，可以改善材料的吸收性能，提高能量的利用率，后置波可以起到熔化后保温的作用，对于某些易产生热裂纹和冷裂纹的材料有很大帮助。但是我们的电源由于是电压的控制方式,并没有脉冲波形的控制,面板上的波形参数是没作用的.我注意到国内同行的设备和国外的设备上面都有此参数而且针对不同材料有不同波形,所以我认为波形参数在焊接工艺中是很重要的.我们现在的新型电源有这个功能,如何运用进去是我们下阶段改进的重点。

离焦量

一定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。尽管正负离焦量相等时相应平面上的功率密度相等，然而，两种情况下所得到的焊点形状却不相同。负离焦时小孔内的功率密度比工件表面的高，蒸发更加剧烈，因此，要增大熔深时可以采用负离焦；而焊接薄材料时，则易采用正离焦。由于熔深大时能量轻微的波动并不明显，所以相对能量比较稳定，也可以理解为在负离焦时焦点不是很敏感，反之正离焦相对负离焦的焦点更敏感些。还有一点是我这段时间自己感受到的区别，没得到充