不銹鋼激光焊接能量控制與工藝試驗(yàn)研究

陳樹(shù)林

(深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172)

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不銹鋼激光焊接能量控制與工藝試驗(yàn)研究

陳樹(shù)林

(深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518172)

針對(duì)不銹鋼激光焊接加工工藝復(fù)雜性，研究脈沖激光能量與焊接工藝。研究了脈沖激光焊接能量，并通過(guò)仿真分析了脈沖激光能量分布。以不銹鋼材料為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)脈沖激光焊接試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同形狀的拼接形式進(jìn)行了對(duì)比分析，選用合理的焊接參數(shù)，解決了半導(dǎo)體脈沖激光焊接技術(shù)難題，提高了脈沖激光焊接的效率與質(zhì)量。

激光焊接；焊接工藝；工藝參數(shù)優(yōu)化；焊接質(zhì)量

激光精密拼焊技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于超薄板(如板厚<100μm的箔片)，無(wú)法進(jìn)行熔焊，但通過(guò)有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，這顯示了激光焊的廣闊前景。

張偉等[1]研究了深熔激光焊建模方法，介紹了近年來(lái)深熔激光焊接過(guò)程數(shù)學(xué)模型的進(jìn)展，重點(diǎn)討論了光致等離子體、小孔的作用機(jī)制及其對(duì)焊接過(guò)程的影響， 以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在深熔激光焊數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用。許飛等[2]研究了5A06鋁合金激光填絲焊接特性， 對(duì)1.2mm厚的5A06 鋁合金薄板進(jìn)行了激光填絲焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較低焊接速度時(shí)激光焊不能實(shí)現(xiàn)有效焊接的焊接工藝參數(shù), 通過(guò)添加焊絲卻可以獲得較好的深熔焊效果，焊縫中只含有少量微小氣孔，并分析了焊接效果及氣孔的形成機(jī)理。文獻(xiàn)[3-4]研究了鋼板激光焊接關(guān)鍵技術(shù)與焊接工藝，圍繞鍍鋅鋼激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)，討論了提高激光焊接鍍鋅鋼焊接質(zhì)量的多種工藝和方法，包括尋求特定的工藝措施、工藝參數(shù)優(yōu)化和焊接過(guò)程的仿真優(yōu)化以及在線檢測(cè)控制。辛立明等[5]研究了基于改進(jìn)的多體系統(tǒng)誤差建模理論的激光拼焊生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)誤差模型。張大文等[6]研究了鋁合金連續(xù)-脈沖激光焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)研究，采用脈沖激光和連續(xù)激光分別對(duì)1.5mm厚的5052 鋁合金板進(jìn)行了焊接，并對(duì)工藝參量進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)對(duì)2種不同類型激光焊接試樣的焊縫形貌的對(duì)比，微觀組織的分析，抗拉強(qiáng)度和顯微硬度測(cè)試，可知脈沖激光焊接對(duì)焊接接頭氣孔的控制更為理想，使得脈沖激光焊接所獲得的焊接質(zhì)量更加優(yōu)異，與連續(xù)激光焊接相比，其接頭的抗拉強(qiáng)度增加了10%。

圖7　小翼掛架在銑鏜檢夾具上的姿態(tài)

本文對(duì)脈沖激光焊接理論和激光精密焊接工藝進(jìn)行了研究。通過(guò)脈沖激光仿真，驗(yàn)證脈沖激光的能量變化。通過(guò)激光焊接試驗(yàn)臺(tái)，研究焊接工藝參數(shù)，優(yōu)化半導(dǎo)體激光焊接工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的焊接效率與焊接質(zhì)量。

1　焊接原理與焊接工藝研究

1.1焊接原理

激光焊接是利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池，以達(dá)到焊接的目的。脈沖激光焊接可分為傳熱熔化焊接和深穿入熔化焊接。傳熱熔化焊接是指當(dāng)激光束照射到材料的表面上時(shí)，材料吸收光能而加熱熔化，材料表面層的熱以傳導(dǎo)方式繼續(xù)向材料深處傳遞，直至將2個(gè)待焊件的接觸面互熔并焊接在一起；深穿入熔化焊接是指當(dāng)更大功率密度的激光束照射到材料上時(shí)，材料被加工熔化直至氣化，產(chǎn)生較大的蒸氣壓，在蒸氣壓力的作用下，熔化金屬被擠在周圍使照射處(熔池)呈現(xiàn)出一個(gè)凹坑，隨著激光束的繼續(xù)照射，凹坑越來(lái)越深，并穿入到另一個(gè)工件中，激光停止照射后，被排擠在凹坑周圍的熔化金屬重新流回到凹坑里，凝固后將工件焊接在一起。

1.2焊接工藝

激光焊接工藝表見(jiàn)表1。

表1　激光焊接工藝表

1.3脈沖激光仿真

采用鎖模技術(shù)對(duì)脈沖激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各個(gè)縱模的相位固定，使各模式相干疊加，以得到超短脈沖。各模振幅相等，光強(qiáng)相等。

Eq=E0

(1)

Iq=Iq-1=I0

(2)

(3)

如果各模式相位未被鎖定，輸出功率為各模功率之和。由此可見(jiàn)，鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時(shí)提高了(2N+1)倍。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，熒光線寬越大,則腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。I(t)為輸出光強(qiáng)；2N+1=7個(gè)縱模，經(jīng)鎖模后得到有規(guī)則的脈沖。

脈沖激光仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括半導(dǎo)體激光器、紅光指示器、光電耦合傳感器、半反射、全反射和45°反射鏡(見(jiàn)圖1)。在外部輸入60A電流脈沖激光仿真效果如圖2所示。

圖1　脈沖激光仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2　脈沖激光仿真效果

2　實(shí)例分析

試驗(yàn)臺(tái)主要由激光器及導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)、激光電源、冷卻系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和十字滑臺(tái)工作系統(tǒng)等組成。主光路系統(tǒng)由諧振腔膜片、YAG晶體、氙燈、擴(kuò)束鏡及聚光腔組成，它決定了激光的輸出。其光路圖如下：激光波長(zhǎng)1 064nm；最大輸出功率≥300W；平均輸出功率≥280W；輸出能量≥50J；脈沖頻率0.1～100Hz。SMC-6480四軸位置控制器是一臺(tái)多功能、高精度的控制主機(jī)，配以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，加上SMC-6480四軸位置控制器自備的軟件，組成了一個(gè)高質(zhì)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。脈沖激光焊接試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。半導(dǎo)體激光器參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3　脈沖激光焊接試驗(yàn)臺(tái)

名稱參數(shù)名稱參數(shù)波長(zhǎng)/nm1064激光器功率/W300光束質(zhì)量/mm·mrad2光纖最小直徑/μm50穩(wěn)定性/%1外形尺寸/mm730×1375×1120

選用不同形狀的2對(duì)不銹鋼進(jìn)行拼接焊試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，激光加熱不銹鋼材料開(kāi)始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)問(wèn)分汽化，形成市壓蒸氣，并以極高的速度噴射，發(fā)出耀眼的白光。2種不同接頭形式焊接效果如圖4所示。

圖4　不銹鋼脈沖激光焊接效果

3　結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體脈沖激光焊接機(jī)理與功率密度、照射時(shí)間、材料性質(zhì)和焊接方式等因素有關(guān)。不銹鋼拼接焊根據(jù)不同的材料厚度，選用不用的焊接工藝參數(shù)。當(dāng)功率密度較低、照射時(shí)間較長(zhǎng)而焊接件較薄時(shí)，通常以傳熱熔化機(jī)理為主進(jìn)行。

[1] 許飛，陳俐，鞏水利，等.5A06鋁合金激光填絲焊接特性研究[J].新技術(shù)新工藝，2008(10)：68-71.

[2]ZhangYK,ZhangL,LuoKY,etal.EffectsoflasershockprocessingonmechanicalpropertiesoflaserweldedANSI304stainlesssteeljoint[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2012,25(2): 285-292.

[3] 張屹，李時(shí)春，金湘中，等.鍍鋅鋼板激光焊接關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中國(guó)激光，2010(7): 1-9.

[4] 辛立明，徐志剛，趙明揚(yáng)，等.基于改進(jìn)的多體系統(tǒng)誤差建模理論的激光拼焊生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)誤差模型[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(2):1-4.

[5] 張偉，熊建鋼，李志遠(yuǎn).深熔激光焊建模方法的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用激光，2000,20(5):205-208.

[6] 張大文，張宏，劉佳，等.鋁合金連續(xù)-脈沖激光焊接工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J].激光技術(shù)，2012，36(4):453-458.

責(zé)任編輯馬彤

ResearchonStainlessSteelPrecisionLaserWeldingEnergyControlandProcessTest

CHENShulin

(MechanicalandElectricalEngineeringSchool,ShenzhenInstituteofInformationTechnology,Shenzhen518172,China)

Inviewofthecomplexityofthelaserweldingprocessofstainlesssteel,thepulselaserpowerandweldingprocessisstudied.Firstly,thepulsedlaserweldingenergyisstudiedthroughthesimulationrealizationofpulselaserenergyanalysis.Secondly,bypulselaserweldingtestbench,withstainlesssteelmaterialastestobject,thetestmethodandtestprocessaredesignedtoverifythepulselasertechnology.Theproblemofsemiconductorpulselaserweldingtechnologyissolvedbyreasonableweldingparameterstoimprovetheefficiencyandqualityofthepulsedlaserwelding.

laserwelding,weldingprocess,theprocessparametersoptimization,weldingquality

2016-05-22

TH162A

陳樹(shù)林(1979-)，男,博士,講師，主要從事電氣控制與制造技術(shù)等方面的研究。