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如何保證激光焊接品質(zhì)的一致性
激光焊接是一種將材料通過激光產(chǎn)生的高溫熔化進(jìn)行永久連接，并成為具有設(shè)定功能結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。近年來，幾乎所有的電子產(chǎn)品，如電腦、電視機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)以及許多電子元器件等，在生產(chǎn)制造中都不同程度地應(yīng)用了激光焊接技術(shù)。激光焊接已經(jīng)滲透到了制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。在大批量激光焊接生產(chǎn)過程當(dāng)中，如何保證產(chǎn)品激光焊接品質(zhì)的一致性，就是生產(chǎn)管理過程中一個(gè)十分重要的課題。
一般來講，影響激光焊接效果的因素可以概括為以下三個(gè)選擇：①焊接材料的選擇②激光焊接機(jī)的選擇③加工工作臺(tái)的選擇。
一、焊接材料的選擇：
激光焊接效果與被加工材料的光學(xué)特性、物理特性和機(jī)械特性有關(guān)。光學(xué)特性：包括材料的反射率、吸收率、透過率等；物理特性：包括熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、密度、比熱、熱容量、熔融液粘滯性、汽化溫度等；機(jī)械特性：機(jī)械加工精度、應(yīng)力強(qiáng)度、材料可焊性、工件清潔度等。
表1不同材料的焊接特性
首先在確定加工材料、尤其是兩種以上不同的材料進(jìn)行焊接加工時(shí)，要參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定材料能否被可靠的焊接（表一列出了不同材料的yag激光焊接特性，可作為參考），另外，不同材料對不同激光波長的反射率也不相同（參見圖1），反射率越高，激光焊接越困難。
圖1 幾種常見材料的激光反射特性
另外，不同材料的物理特性和機(jī)械特性也會(huì)對焊接效果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。一般來說，在點(diǎn)焊時(shí)，熱傳導(dǎo)率越大，焊接效果越好；相反，在縫焊時(shí)，熱傳導(dǎo)率越小，焊接效果越好。需要用戶根據(jù)不同的應(yīng)用要求進(jìn)行合理的選擇。
有時(shí)，即便是同一種材料如鋁，由于鋁的純度及所摻雜元素的不同，因此有時(shí)其材料型號不同，所造成的焊接效果也不同，甚至相同型號的材料，來料批次不同，焊接效果也不盡相同；這時(shí)，需要用戶根據(jù)不同的情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)激光焊接機(jī)的功率波形來改善。
另外，不同材料的物理特性和機(jī)械特性也會(huì)對焊接效果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。一般來說，在點(diǎn)焊時(shí)，熱傳導(dǎo)率越大，焊接效果越好；相反，在縫焊時(shí)，熱傳導(dǎo)率越小，焊接效果越好。需要用戶根據(jù)不同的應(yīng)用要求進(jìn)行合理的選擇。
有時(shí)，即便是同一種材料如鋁，由于鋁的純度及所摻雜元素的不同，因此有時(shí)其材料型號不同，所造成的焊接效果也不同，甚至相同型號的材料，來料批次不同，焊接效果也不盡相同；這時(shí)，需要用戶根據(jù)不同的情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)激光焊接機(jī)的功率波形來改善。
二、激光焊接機(jī)的選擇
在選擇焊接機(jī)時(shí)，一般需要考慮以下因素：
1、光學(xué)特性：光斑大小（激光棒直徑、光纖直徑和類型、出射頭參數(shù)）、焦面高度、景深、光斑位置、光斑入射角度；
2、控制特性：反饋控制方式、功率波形的選擇。
焊接機(jī)的光學(xué)特性在打樣時(shí)就可以確定，用戶在 初試制產(chǎn)品時(shí)就可以直觀的確定焊接效果，因此這里不再贅述，而是重點(diǎn)介紹影響激光焊接一致性的激光控制特性。
目前在市場上銷售的激光焊接機(jī)從控制特性上主要分為兩大類：電流負(fù)反饋和激光功率負(fù)反饋。
電流負(fù)反饋是控制激光泵浦氙燈電流使其每次保持氙燈電流恒定的一種控制方式。但是，激光輸出功率與泵浦氙燈的電流并不是成線性正比關(guān)系，而且隨著泵浦氙燈使用時(shí)間的延長，電光轉(zhuǎn)換效率顯著降低，就會(huì)使輸出激光能量減小，從而影響焊接效果的一致性。
激光功率負(fù)反饋是在激光腔的輸出端加一個(gè)光電檢測器，將檢測到的激光功率與所需的激光功率進(jìn)行比較，進(jìn)而控制氙燈泵浦電流大小的一種控制方式。
激光功率負(fù)反饋分為實(shí)時(shí)負(fù)反饋和非實(shí)時(shí)負(fù)反饋兩種。實(shí)時(shí)負(fù)反饋就是在一個(gè)激光功率脈沖內(nèi)將檢測到的激光功率與所需的激光功率進(jìn)行比較，進(jìn)而控制氙燈泵浦電流大小的一種控制方式。非實(shí)時(shí)負(fù)反饋是將前一個(gè)脈沖檢測到的激光功率波形與設(shè)定波形進(jìn)行比較，然后確定下一個(gè)脈沖激光泵浦氙燈電流大小的控制方式。功率負(fù)反饋激光焊接機(jī)的組成框圖如圖2所示。
圖2 功率負(fù)反饋激光焊接機(jī)組成框圖
與電流負(fù)反饋控制相比，采用激光功率負(fù)反饋，輸出激光能量的控制精度可以大大提高，尤其適合于大批量生產(chǎn)當(dāng)中。圖3是聯(lián)贏激光15w激光焊接機(jī)分別在電流負(fù)反饋和激光功率負(fù)反饋控制狀態(tài)下激光輸出能量的波動(dòng)情況。
圖3 激光功率負(fù)反饋和電流負(fù)反饋時(shí)輸出激光能量的
從圖3可以看出，在近似相同輸出功率條件下，電流負(fù)反饋下的能量不穩(wěn)定度大于8%，而激光功率負(fù)反饋下的輸出能量不穩(wěn)定度小于3%。而且隨著激光焊接機(jī)泵浦氙燈使用時(shí)間的延長，泵浦氙燈的電光轉(zhuǎn)換效率會(huì)進(jìn)一步降低，電流負(fù)反饋狀態(tài)下輸出能量會(huì)逐漸減少，需要質(zhì)量控制人員經(jīng)常檢測輸出激光能量，從而增加生產(chǎn)成本。而采用激光功率負(fù)反饋時(shí)，系統(tǒng)在自動(dòng)的比較輸出激光能量的大小并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)償泵浦氙燈電流的大小，因此可以保證輸出激光能量始終在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
另外，采用激光功率負(fù)反饋控制的激光焊接機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)激光功率的波形控制，實(shí)際上，對于不同的材料，采用不同的激光功率波形，可以使焊接效果更加精美，有時(shí)甚至采用傳統(tǒng)方式焊接不了的材料也可以通過改變激光功率波形而得到比較好的焊接效果。圖4是光通訊行業(yè)中的蝶形激光器焊接當(dāng)中分別采用方波和編程波形時(shí)的焊接效果。
圖4中a是所要焊接的蝶形激光器的示意圖,圖中b下部是采用b上部所示激光功率波形時(shí)所得到的焊接效果，c是采用c上部的激光功率波形焊接時(shí)得到的焊接效果。檢測表明，圖c中的由于焊斑下凹，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圖b中的焊斑突起時(shí)的焊接強(qiáng)度。可見，選擇合適的激光功率波形，對得到較好的焊接效果非常重要。
圖4 不同激光功率波形時(shí)蝶形激光器的焊接效果
在選擇激光功率波形時(shí)，一般來講，在輸出相同的激光能量的前提下，脈寬越寬，焊斑越大；激光功率波形峰值功率越高，焊斑越深。目前來沒有一套完整的激光功率波形的設(shè)置方法，用戶可在使用過程中逐步摸索，探尋適合自己產(chǎn)品的激光功率波形。
激光焊接機(jī)的選擇，對批量加工成品率影響至關(guān)重要；因此，用戶在條件許可的前提下，可盡量采用激光功率實(shí)時(shí)負(fù)反饋焊接機(jī)來提高產(chǎn)品的優(yōu)良率。
三、加工工作臺(tái)的選擇：
在大批量生產(chǎn)當(dāng)中，往往需要采用自動(dòng)工作臺(tái)來提高生產(chǎn)效率，因此工作臺(tái)的不同也會(huì)對焊接效果產(chǎn)生很大的影響。工作臺(tái)的具體選擇從理論上講，精度越高越好；但精度越高，工作臺(tái)的制作成本也越高，因此需要選擇合適的工作臺(tái)。另外，是否使用保護(hù)氣體或選擇不同的保護(hù)氣體，同樣會(huì)對實(shí)際的焊接效果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。工作臺(tái)相關(guān)的特性主要要考慮以下幾個(gè)方面：
移動(dòng)特性：移動(dòng)精度、重復(fù)性、移動(dòng)速度。
夾具特性：夾具精度、散熱能力、夾持力、方便性 。
輔助氣體：形狀、孔徑、氣體種類、流量、壓力、角度、距離。
四、總結(jié)
在實(shí)際焊接生產(chǎn)當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，如何判別問題出現(xiàn)的原因，怎樣解決這些問題，也是生產(chǎn)工藝管理過程中非常重要的一環(huán)。
一般來說，在所焊接產(chǎn)品的同一部位連續(xù)出現(xiàn)焊接不良，很有可能是工作臺(tái)和夾具有問題，這時(shí)，需要從夾具和工作臺(tái)方面入手解決問題；如果來料批次不同，引起了焊接加工不良，可能是來料問題，需要檢查更換來料或改變激光焊接機(jī)波形設(shè)定工藝條件進(jìn)行解決；如果偶爾有焊穿和虛焊現(xiàn)象，可以檢查焊接機(jī)的能量穩(wěn)定性或工作臺(tái)及夾具是否存在問題。圖5是對激光焊接過程中有可能出現(xiàn)的問題的一個(gè)大概分析流程。
圖5 激光焊接過程中的質(zhì)量問題分析
總之，焊接產(chǎn)品的質(zhì)量保證是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一個(gè)細(xì)小的環(huán)節(jié)都會(huì)影響產(chǎn)品的優(yōu)良率。這就需要用戶根據(jù)不同的情況進(jìn)行總結(jié)，找出適合各自產(chǎn)品特點(diǎn)的焊接質(zhì)量控制方法。
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