激光焊接工藝論文

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1原有工藝存在的缺點

1.1焊接光斑大

由于焊接區域很小，在實際生產過程中，放置產品的位置存在一定誤差，為了保證焊接光斑不偏離焊接區域，就需要焊接光斑盡量小。經過大量實際生產驗證，焊接光斑直徑在0.4mm以下可以很好地解決上述問題。這就需要對激光器的光路部分進行改造，在減小焊接光斑的同時保證光束質量不變。

1.2焊接良品率低

手機揚聲器彈片焊接的具體需求為：

（1）焊接拉力大于10N；

（2）不能擊穿下層材料；

（3）光斑不能大于0.4mm。通過以上三個指標評價產品的良品率，不良品率應低于2%。在原有配置（激光棒直徑7mm，傳導光纖芯徑400μm）條件下，不良率高達5%以上。

2改造方案及結果

2.1光學部分改造

首先需要解決光斑偏大的問題，結合聚焦光斑大小基本原理由此可見，若要得到較小的聚焦光斑，需要減小傳導光纖的芯徑D、增加擴束鏡焦距f2及減小聚焦鏡焦距f1。但是這些配置都不能隨意更改，原因一：如傳導光纖的芯徑太小，將加大光纖耦合的難度，增加激光燒毀光纖的風險；原因二：擴束鏡焦距的焦距直接決定了聚焦光束的焦深，焦距越大，焦深越短，這樣激光束對工件的高低公差要求更高，不便于后續的工藝調試；原因三：聚焦鏡的焦距直接影響到焊接的幅面，焦距越小，幅面越小。綜合以上分析，結合實際需求，將外光路系統設計為光纖芯徑D=0.2mm，擴束鏡焦距f2=180mm，聚焦鏡焦距f1=170mm，根據式可求得聚焦光斑為0.2mm，但是實際焊接的光斑約為0.45mm。仍然無法達到實際生產的要求。對激光器內部光學進行改造，常規的Nd:YAG焊接使用的激光棒直徑（工作物質）為φ7mm。為了得到更小的光斑，將激光棒的直徑改造成φ4mm，相應的結構件（如激光棒與腔體的連接件、密封圈等）也做一些改造。為提高裝配的便利性及后期的穩定性，激光器腔體的大小也相應減小，使得與激光棒的配合更加緊密。在其他條件一樣的情況下，激光棒直徑為φ7mm時，焊接半徑為0.22mm，如圖2a所示。激光棒直徑為φ4mm時，焊接半徑為0.177mm，如圖2b所示，相對于φ7mm的激光棒，光斑減小了20%以上，可以達到焊接光斑直徑小于0.35mm的要求。

2.2焊接工藝優化

在光學部分改造后，為解決拉力不夠10N和良品率低的問題，通過大量工藝測試，對生產工藝進行改造。在保持其他條件不變的情況下，對激光峰值功率、脈沖寬度、離焦量三因素進行三水平正交試驗，所取因素水平見表1，并分析其對焊接拉力及良品率的影響。當激光峰值功率較低，為800W時，產品的不良率主要是平均拉力小造成的，無擊穿現象發生，表明峰值功率對焊接拉力大小起到主要因素。當峰值功率較大，為1000W時，主要的不良率是由于擊穿現場產生的，這是因為下層材料本身很?。?.08mm），功率稍大，即容易擊穿（脈沖激光的激光功率穩定性一般在3%左右）。脈沖寬度主要影響焊接光斑的大小及拉力的大小，脈寬越寬表示單個脈沖與材料的作用時間越長，這樣焊接光斑較大，拉力也較強，但是由于工件本身焊接的區域較小，要求焊接光斑小于0.35mm。所以在保證上層材料光斑大小一定的情況下，需要優化工藝參量，使得下層材料的熔縫寬度足夠大（將上下兩層材料拉拖開，測試下層材料的熔縫寬度大?。?。其結果如圖3所示，圖3a是脈沖寬度為1.5ms時下層材料的熔縫寬度，半徑為0.08mm；圖3b是脈沖寬度為2.0ms時下層材料的熔縫寬度，半徑為0.112mm。拉力測試表明圖3b的熔縫寬度的拉力比圖3a的大30%。這兩種不同的熔縫寬度表明了上下兩層材料之間的熔合面積不同，直接對焊接拉力的大小產生影響。

3結論

（1）改造激光器外部光路及內部光路，具體改造方案為光纖芯徑D=0.2mm，擴束鏡焦距f2=180mm，聚焦鏡焦距f1=170mm，激光棒直徑由φ7mm改造為φ4mm，達到了焊接光斑小于0.35mm的要求。

（2）通過工藝正交試驗，對焊接工藝參量進行改進，得出最佳的工藝參量為激光峰值功率900W，脈沖寬度2ms、離焦量2mm時，達到了焊接拉力大于10N，不良率控制在2%以下的目的。

作者:范紅姚小強單位:江蘇省鹽城技師學院