激光焊接工藝的質量控制初探

中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1008-925X(2012)O7-0134-01

摘要：激光焊接作為一種非接觸焊接工藝，僅在焊點處施加垂直壓力，從而能夠將產品受到的機械應力降至最低，以保證焊接質量。文章對影響焊接工藝質量的基本環節，如錫焊分類、特點、焊接要素進行了分析，從中提出控制質量的措施和辦法。這是實際工作經驗總結，對提高軍工生產質量很有參考價值。

關鍵詞：激光焊接；工藝；質量控制

1.概述

激光焊接是采用激光能源，將若干不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優結構和最佳性能實現裝備輕量化。激光焊接作為一種非接觸焊接工藝，僅在焊點處施加垂直壓力，從而能夠將產品受到的機械應力降至最低，以保證焊接質量。激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內熔化和蒸發，所以這一效應可用于焊接工藝。激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質量比傳統焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質量，也就是激光焊接過程監測與質量控制是一個激光利用領域的重要內容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質量監測等項目，通過反饋控制調節焊接工藝參數，從而實現自動化激光焊接。因此，激光焊接是一門技術性非常強的先進制造工藝。

2.焊接工藝的基本環節

2.1錫焊分類及特點

2.1.1熔焊

熔焊是指在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態，在不外加壓力的情況下完成焊接的方法。如電弧焊、氣焊等。

2.1.2接觸焊

在焊接過程中，必須對焊件施加壓力(加熱或不加熱)完成焊接的方法。如超聲波焊、脈沖焊、摩擦焊等。

2.1.3釬焊

釬焊采用比被焊件熔點低的金屬材料作焊料，將焊件和焊料加熱到高于焊料的熔點而低于被焊物的熔點的溫度，利用液態焊料潤濕被焊物，并與被焊物相互擴散，實現連接。電子產品安裝工藝中所謂的“焊接”就是軟釬焊的一種，主要使用錫、鉛等低熔點合金材料作焊料，因此俗稱“錫焊”。

2.2焊接的機理

所謂焊接是將焊料、被焊金屬同時加熱到最佳溫度，依靠熔融焊料填滿被焊金屬間隙并與之形成金屬合金結合的一種過程。從微觀的角度分析，焊接包括兩個過程：一個是潤濕過程，另一個是擴散過程。

2.2.1潤濕(橫向流動)

又稱浸潤，是指熔融焊料在金屬表面形成均勻、平滑、連續并附著牢固的焊料層。浸潤程度主要決定于焊件表面的清潔程度及焊料的表面張力。金屬表面看起來是比較光滑的，但在顯微鏡下面看，有無數的凸凹不平、晶界和傷痕，熔化的焊料就是沿著這些表面上的凸凹和傷痕靠毛細作用潤濕擴散開去的，因此焊接時應使焊錫流淌。流淌的過程一般是松香在前面清除氧化膜，焊錫緊跟其后，所以說潤濕基本上是熔化的焊料沿著物體表面橫向流動。潤濕的好壞用潤濕角表示。

2.2.2擴散(縱向流動)

伴隨著熔融焊料在被焊面上擴散的潤濕現象還出現焊料向固體金屬內部擴散的現象。例如，用錫鉛焊料焊接銅件，焊接過程中既有表面擴散，又有晶界擴散和晶內擴散。錫鉛焊料中的鉛只參與表面擴散，而錫和銅原子相互擴散，這是不同金屬性質決定的選擇擴散。

3.激光焊接過程監測與質量控制

激光焊接過程監測與質量控制一直是激光焊接領域研究和發展的一個重要內容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計算機處理方法，針對不同的激光焊接過程和要求，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質量監測等，并通過反饋控制調節焊接工藝參數，從而實現高質量的自動化激光焊接過程。

3.1激光焊接過程監測

利用各種傳感器對激光焊接過程中產生的等離子體進行檢測是常用和有效的方法。根據檢測信號的不同，激光焊接質量檢測主要包括以下幾種方式：

3.1.1光信號檢測。檢測對象為激光焊接過程中的等離子體（包括工件上方和小孔內部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測、側面檢測和背面檢測。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機以及光譜分析儀等。

3.1.2聲音信號檢測。檢測對象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發射。

3.1.3等離子體電荷信號。檢測對象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。利用光電傳感器檢測激光焊接過程中等離子體光輻射強度的變化是激光焊接過程監測與控制的重要方法之一。國內外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動檢測出焊接過程中因激光功率、焊接速度、焦點位置、噴嘴至工件表面距離、對接間隙等工藝條件的波動引起的焊縫熔深和成形質量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測焊縫內部質量，例如，氣孔傾向的嚴重程度。

3.2激光焊接過程控制

激光焊接過程控制的主要內容就是對焊接工藝參數的控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質量最關鍵而又最難監測和控制的工藝參數之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳焦點位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個范圍，熔深則下降，甚至破壞穩定的深熔焊過程，變為模式不穩定焊接或熱導焊。但實際激光焊接時，存在多種因素影響焦點位置的穩定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴－工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應引起焦點位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點位置的變化等。如何迅速確定激光焦點位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。

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