第 26卷 第 23期 2010年 12月
甘肃科技
G ansu Science and T echno logy
Vol. 26 N o. 23 D ec. 2010
航空继电器激光焊接系统的研究
杨 晟
(武汉软件工程职业学院 光电子与通信工程系, 湖北 武汉 430205)
摘 要: 采用 300W 脉冲 YAG 激光器作为光源, 研究开发了航空继电器专用激光 焊接系统和焊接工艺。该 系统具有 性能稳定、精度高、焊接成品率高等 特点。仔 细探讨了航空继电器外壳 与底座密封 焊接的工 艺特点, 通过反复 实验, 找到了最佳输出功率、脉冲频率、脉 冲波形、气 体保护 等激光 焊接工 艺参数 和方法, 提高 了焊接 质量和 焊接成 品率。
焊接成品表面光 滑、气密性高、热影响区小, 达到了国外同类产品质 量标准, 解决了长 期以来该 类继电器的 焊接只能 依靠进口设备的 问题。
关键词: 激光器; 航空继 电器; 激光焊接; 气密性 中图分类号: V 261. 8
激光焊接由于焊接热影响区小, 焊后变形小等 特点, 在继电器的制造中具有广泛应用, 如继电器外 壳与底座的密封焊、第 3代通讯继电器中端子、安装 耳朵、磁钢、隔磁片的点焊等, 此外, 在汽车继电器中 的簧片与轭铁已大量使用激光连续点焊。
继电器的密封焊接是激光焊接在继电器中重要 的应用之一, 特别是航空继电器外壳与底座的密封 焊接。航空继电器的外壳材 料一般为型号 B19的 白铜, 底座材料一般为可伐合金, 要求焊接后的继电 器泄漏率指标达到 10- 9m3p / s, 且焊缝美观, 对激光 焊接工艺提出了较高的要求。此外, 为保证焊接成 品率, 对激光焊接机长期工作稳定性的要求也很高。
目前, 由于设备和工艺方面的原因, 国内航空继电器 制造厂家基本上使用的都是国外的激光成套设备进 行密封焊接。少量使用国产激光设备的厂家也是以 小批量生产为主, 和国外的激光设备比较起来, 国内 激光设备普遍存在焊接质量不稳定、成品率低的问 题。为解决这个问题, 从材料焊接工艺上进行研究, 采用国产 300W 脉冲 YAG 激光器作为光源, 针对航 空继电器焊接工艺特点, 进行激光焊接系统优化设 计, 找到了一套最佳焊接工艺参数和方法, 研制成功 了国产航空继电器专用激光焊接系统。
1 焊接原理
1. 1 激光焊接原理
激光焊接 是将高强度的激光束辐射至金属表 面, 通过激光与金属的相互作用, 使金属熔化形成焊 接。
激光焊接按其热力学机制不同可分为激光热传
导焊接和激光深穿透焊接。一般当激光功率密度不 高于 106W / cm2时, 激光焊接属于热传导焊接, 航空 继电器熔深一般小于 0. 5 mm 的焊接, 也属于热传 导焊接。这时光能量只被材料表层吸收, 不产生非 线性效应或小孔效应, 光的穿透深度为:
Z = - 1 A ln( I
I0
) ( 1)
式中: Z 为光辐射的穿透深度, A 为材料对激光的 吸收系数, 对于大多数金属, A 为 ( 105~ 106) /cm; I0
和 I分别为材料表面和入射至处的光强。
由式 ( 1)可见, 对于金属材料, 当光辐射穿透深 度达微米量级后, 光强已趋近于 0, 材料内部的加热 是通过热传导方式进行的, 一旦材料表面温度达到 熔点即开始熔化, 只要表面温度不超过沸点, 熔化波 前将向材料内部稳定传播。
当材料表面由熔点达到沸点时, 材料达到最大 熔深, 见式 ( 2), 式中, TV 为材料的沸点温度, Tm 为 材料的熔点温度。
zm ax= 1. 2K q0
(Tv- Tm) ( 2) 最大熔深 zm ax反比于功率密度 q0, 正比于热传 导率 K, 并随材料沸点与熔点温差增大而增大。
根据热传导 方程分 析, 在一 定脉 宽 ( 1)条 件 下, 具有恒定强度的表面热源作用下, 表面达到材料 熔点的功率密度 qc1为:
qc1= 0. 886TmK
( )1 /2 ( 3) 表面达到材料沸点的功率密度 qc2为:
qc2= 0. 886TvK
( )1 /2 ( 4)
式中 为激光脉冲宽度, 取不同的值, 求得不同的 qc2之值, 则可获得最大熔深与 的关系为:
zk m ax
zj m ax
= ( k
j
)1 /2 ( 5)
可见, 若需要较大熔深, 脉宽应越长, 且熔深的 增加随脉宽的 1 /2次方增加。
qc1和 qc2都随材料的熔点、沸点温度、热传导率 增加而增加, 但随热扩散率、脉宽增加而减小。在实 际应用中, 功率密度的选取除取决于材料本身特性 外, 尚需根据焊接要求确定, 在厚材料的穿透焊中, 应维持表面在熔、沸点间传递能量, 脉冲宽度要长一 点。
1. 2 航空继电器焊接要求
激光焊接的效果, 所需激光参数大小, 与被焊材 料的物理特性有很大关系, 主要是金属的热导率、熔 点、沸点、金属表面状态、涂层, 粗糙度、对激光的反
射特性。
航空继电器的外壳和底座材料分别为白铜和可 伐合金。
白铜是以镍为主要添加元素的铜镍合金, 外壳 材料一般选用型号 B19的白铜, 含镍量在 19% , 纯 铜加镍能显著提高强度, 耐蚀性, 硬度, 电阻和热电 性, 易于塑型, 适合于作继电器外壳。
可伐 合 金, 英 文: KOVAR, 主 要 成 分 是 含 镍 29% , 钴 17% 的硬玻璃铁基封接合金。航空继电器 通常在可伐上镀铜增加和外壳的可焊性。
对于不同金属 的焊 接, 设金 属 A 的熔 点为 A 熔, 沸点为 A 沸, 金属 B 的熔点为 B 熔, 沸 点为 B 沸, 当 B 沸 > A 熔 > B 熔 或 A沸 > B 沸 > A 熔时
熔区可形成良好的合金结构, 激光焊接参数范 围越大。
白铜和可伐合金的熔点温度和沸点温度, 见表 1。
表 1 白铜和可伐合金的熔点、沸点、临界功率密度
材料 Tm ( ) T v( ) q
c1
( W /cm2
) qc2
(W / cm2
)白铜 1083 2300 1. 1 10
5
2. 34 105
可伐合金 1450 2700 3. 6 10
4
6. 8 104
可伐合金和白铜属于可焊异种金属。焊接时使 结合部位被激光照射, 金属表面吸收光能而使温度 升高, 热量按照固体材料的热传导理论向金属内部 传播扩散。被焊工件结合部位的两部分金属因升温 达到熔点而熔化成液体, 凝固后, 两部分金属熔接焊 在一起。
如图 1a所示, 以某型号继电器样品为例, 继电 器外壳壁厚 0. 4 mm, 底座壁厚 0. 3 mm, 外壳和底座 配合后有一定缝隙, 缝宽在 0. 15 mm 以内, 焊接轨 迹成圆弧矩形, 如图 1b所示。
图 1 航空继电器外形
航空继电 器焊接工艺属于异种材料的齐缝对 焊, 焊接要求泄漏率达到 10- 9m3p / s, 无裂纹, 焊缝 美观, 热影响区小, 如热影响区大会导致底座和继电 器引脚间的玻璃密封处出现裂纹。因此也就是说焊
斑不能太大。泄漏 率要求很高, 需要有一定熔 深。
对激光焊接工 艺提出了较高要 求。在热传 导焊接 中, 激光器工作于脉冲状态, 因而, 脉冲能量, 脉冲宽 度和激光重复频率就是很重要的参数。当然, 激光 外光路的设计, 聚焦系统, 焊接时的离焦量大小的影 响也是必须注意的。
1. 3 焊接工艺参数设计 1. 3. 1 功率密度
各项工艺参数中激光功率是最主要的, 保证了 足够的激光功率, 才谈得上其他参数的作用。
为保证航空继电器焊接工艺的气密性要求, 设 计的最大熔深大约在 0. 3 mm, 由表 1可伐合金表面 达到材料沸点的功率密度 qc2为: 2. 34 104W / cm2。
继电器外壳壁厚 0. 4 mm, 底座壁厚 0. 3 mm, 配 合缝隙宽度在 0. 15 mm 以内, 取光斑直径 1. 0 mm, 可以完全覆盖焊接表面。
根据功率密度 qc2和光斑直径可以求得焊接所 需激光功率大于 180W, 考虑余量, 选用 300 W 的激 光器作为光源。
实验中发现, 功率密度小了焊不上, 大了容易氧 化形成裂纹和塌陷。为保证熔深, 需严格控制激光 功率密度, 使金属表面温度维持在沸点附近, 不致于 形成强大的蒸气压力, 避免产生陷坑和金属飞溅。
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1. 3. 2 脉宽
激光脉冲焊接中, 激光脉冲宽度决定了材料熔 化的深度和焊缝的宽度, 由公式 ( 5)可知, 熔深的大 小随脉宽的 1 /2次方增加, 不过热传导型焊接时, 单 独增加脉宽, 只会使焊缝变宽、过熔, 引起焊缝附近 的金属氧化、变色甚至变形。因此, 脉宽也不能太 大, 通过实验比较, 取脉宽为 1. 5 m s可获得较好的 熔深要求和焊缝宽度。
1. 3. 3 离焦量对焊接质量的影响
离焦量的大小影响材料表面熔化斑点的直径, 以及熔池的径深比。因此, 要求较大熔深时, 可使聚 焦镜的焦点深入材料内部, 使焊缝处发生轻微打孔, 部分熔化金属有汽化飞溅现象, 焊缝深度变大, 也就 是负离焦工作原理。设计轻微的负离焦, 使激光焦 点深入焊接表面 0. 5mm, 即保证一定熔深又不会产 生汽化飞溅。
负离焦焊接时, 熔深较深, 但焊缝表面平整度可 能变差, 为使焊缝表面光滑美观, 采用两遍焊接, 即 先大功率焊接一遍保证熔深, 再小功率重复焊接一 遍, 使表面美观一些。
1. 3. 4 脉冲波形
在一个激光脉冲作用期间内, 金属反射率随表 面温度变化, 激光开始作用时, 反射率很高, 如铜为 95% , 当光照区温度逐渐上升到熔点后, 反射率迅速 下降, 光照区处于熔化状 态, 反射率 稳定于某一数 值, 随着熔化层加厚, 热阻增加, 熔化区温度继续上 升。
由于铜的反射率 较高, 适用 于前置尖 峰波形。
但带有前置尖峰的激光波形在高重复率缝焊, 尤其 要求高的气密性缝焊中不宜采用, 因为缝焊的焊缝 由大量熔斑重叠组成, 光斑重叠区表面状态已发生 变化, 为此, 在缝焊中, 宜采用光强基本不变的平顶 波或衰减较慢的衰减波。
选择用缓升缓降的平顶波形进行焊接, 启动时 激光功率由小变大到预定值, 结束焊接时激光功率 由大变小, 即激光设备的缓升缓降功能, 焊接没有凹 坑或斑痕, 焊缝平整光滑。
1. 3. 5 两种金属厚度, 间隙, 两边覆盖率比例的选 择
航空继电器的外壳和底座材料分别为白铜和可 伐合金。两种金属如果齐缝对焊, 焊接效果不太好, 这是因为可伐合金的临界功率密度小于白铜的临界
功率密度, 齐缝焊会使两种金属受热反应不一致, 可 伐合金一侧氧化严重, 焊接面塌陷, 且表面有裂纹。
因此在设计焊接轨迹时, 光斑偏外部一些, 如图 2所示, 以保证两侧受热一致熔点、沸点温 度接近, 焊接面光亮, 无裂纹, 表面熔化后呈突起状。
图 2 焊缝偏移 1. 3. 6 激光焊接接头装配设计
激光焊接接头工件间隙不应大于接头材料厚度 的 5% , 以获得足够的焊速, 不产生材料流失, 咬边 和焊接弧坑, 如间 隙超过激光束 宽, 将导致 焊接失 败。因此, 对继电器外壳和底座的配合精度要求尽 量高且均匀。
另外, 焊接过程中工件变形虽然小, 稳定的夹持 住工件, 保持精确定位也是保证焊接可重复性的重 要因素, 要求使用精良、重复性好的夹具。激光束必 须瞄准接头, 焊接接头必须精确装配, 为此, 激光系 统光路设计了 CCD 同轴观察系统, 该同轴观察系统 放大倍率 20倍, 通过监视器将焊缝显示在屏幕上。
1. 3. 7 吹气保护
为了防止焊接过程氧化, 将焊接件置于密闭的 氮气室中, 氮气室上部有透光平板玻璃, 激光透过玻 璃射入到焊件的焊缝上, 氮气室中充满氮气, 这样被 焊金属在加热熔化过程中不会被氧化, 这样焊接出 来的工件外表美观, 气密性高。
1. 3 系统和工艺
根据以上工艺参数的设计, 我们选用 300W 脉 冲 YAG 激光器作为光源, 配备 CCD同轴观察监视 系统作观察定位用, 设备配备高精度制冷系统, 精密 工作台, 真空箱中充满氩气进行焊接。精密工装夹 具, PLC 控制系统进行二维精密工作台和激光、光闸 的控制。系统结构, 如图 3所示。
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图 3 航空继电器激光焊接系统结构 系统主要性能参数:
最大输出功率: 300W;
波长: 1. 06um;
聚焦镜: F= 75mm;
焊接光斑直径: 1mm;
工作台行程: X 100mm; Y 100mm。
焊接工艺参数: ;
第一遍: 电流 130A, 脉宽 1. 2m s, 15H z;
第二遍: 电流 100A, 脉宽 1. 0m s, 15H z。
可伐合金表面可镀暗铜, 焊接时负离焦, 光斑偏 离中轴线 0. 15mm, 中心落在外壳白铜上, 如图 2所 示, 重叠率按选 70% , 在设计焊接轨迹时要注意拐 角处的圆弧半径, 如图 4所示, 这个地方是经常漏气 的位置。
图 4 焊缝拐角
另外, 外壳和 底座装配前, 用酒精清洗 一下表 面。
该加工工艺参数经批量使用证明是焊接该类继 电器的较佳参数。
2 结论
本激光焊接系统专门针对航空继电器的焊接而 研制, 从航空继电器的材料、机械配合精度、焊接工 艺要求等多方面考虑, 进行针对性的设计, 使本激光 焊接系统在航空继电器的焊接应用上和同类设备相 比具有很高的优越性, 完全满足航空继电器焊接所 需的较高要求, 经批量试用, 焊缝光滑, 平整, 外形美 观, 成品率高, 完全可以替代国外进口设备。
参考文献:
[ 1] 陈彦斌. 现代 激光 焊接 技术 [ M ]. 北 京: 科学 出版 社, 2005.
[ 2] 郑启光, 辜建辉. 激光 与物 质相 互作 用 [ M ]. 武汉: 华 中理工大学出版社, 1996.
[ 3] 关振中. 激光加工 工艺手册 [M ]. 北京: 中国计 量出版 社, 1998.
[ 4] 张国顺. 现代激光 制造技术 [M ]. 北京: 化学工 业出版 社, 2006.
[ 5] 丘军林. 工业激光 技术 [ M ]. 武汉: 华中 科技大 学出版 社, 2002.
[ 6] 陈家 璧. 激 光原 理 及应 用 [ M ] . 北 京: 电 子工 业 出版 社, 2001.
[ 7] 李适民. 激光器件 原理与设 计 [ M ]. 北京: 国防 工业出 版社, 1998.
[ 8] R e inhart Popraw e. 激光 制造工 艺 [M ]. 北京: 清 华大学 出版社, 2008.
[ 9] 郑启光. 激光先进 制造技术 [M ]. 武汉: 华中科 技大学 出版社, 2002.
( 上接第 68页 )
6 结论
对空间站用手工电子束焊枪的电聚焦系统进行 了系统的研究, 选用等径三圆筒单透镜作为电聚焦 系统的主透镜。通过计算机辅助设计, 分析了电场 方程和电子运动方程的数值解法, 探讨了空间电荷 效应和电子热初速度对聚焦系统设计的影响及处理 办法并用 C 语言编程计算, 其结果表明:
1) 从阳极孔出口到工件之 间的电子轨迹先发
散后会聚, 具有良好的层流性。
2)聚焦电压 FU 较低, 约为 - 2 000 V。
3)电子束最小束斑的位置不在透镜区内, 而在 透镜区以外的 工件所在位置。电子束束斑 半径较 小, 为 0. 63 mm。
参考文献:
[ 1] 李志远, 钱乙余, 张九海. 先进 连接方 法 [ M ]. 北京: 机 械工业出版社, 2000: 122- 123.
[ 2] P W H awkes, E K asper. 1989. P rinc ip le o f E lectron O p tics. A cadem ic P ress.
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