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激光焊接机 |
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如何保证激光焊接品质的一致性 |
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作者：深圳市联赢激光 牛增强 |
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激光焊接是一种将材料通过激光产生的高温熔化进行永久连接，并成为具有设定功能结构的加工技术。近年来，几乎所有的电子产品，如电脑、电视机、手机、数码相机以及许多电子元器件等，在生产制造中都不同程度地应用了激光焊接技术。激光焊接已经渗透到了制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。在大批量激光焊接生产过程当中，如何保证产品激光焊接品质的一致性，就是生产管理过程中一个十分重要的课题。
一般来讲，影响激光焊接效果的因素可以概括为以下三个选择：①焊接材料的选择②激光焊接机的选择③加工工作台的选择。
一、焊接材料的选择：
激光焊接效果与被加工材料的光学特性、物理特性和机械特性有关。光学特性：包括材料的反射率、吸收率、透过率等；物理特性：包括热传导率、热扩散率、密度、比热、热容量、熔融液粘滞性、汽化温度等；机械特性：机械加工精度、应力强度、材料可焊性、工件清洁度等。表1不同材料的焊接特性
 首先在确定加工材料、尤其是两种以上不同的材料进行焊接加工时，要参考相关文献，确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，可作为参考），另外，不同材料对不同激光波长的反射率也不相同（参见图1），反射率越高，激光焊接越困难。
图1 几种常见材料的激光反射特性
另外，不同材料的物理特性和机械特性也会对焊接效果产生至关重要的影响。一般来说，在点焊时，热传导率越大，焊接效果越好；相反，在缝焊时，热传导率越小，焊接效果越好。需要用户根据不同的应用要求进行合理的选择。
有时，即便是同一种材料如铝，由于铝的纯度及所掺杂元素的不同，因此有时其材料型号不同，所造成的焊接效果也不同，甚至相同型号的材料，来料批次不同，焊接效果也不尽相同；这时，需要用户根据不同的情况，适当调节激光焊接机的功率波形来改善。
另外，不同材料的物理特性和机械特性也会对焊接效果产生至关重要的影响。一般来说，在点焊时，热传导率越大，焊接效果越好；相反，在缝焊时，热传导率越小，焊接效果越好。需要用户根据不同的应用要求进行合理的选择。
有时，即便是同一种材料如铝，由于铝的纯度及所掺杂元素的不同，因此有时其材料型号不同，所造成的焊接效果也不同，甚至相同型号的材料，来料批次不同，焊接效果也不尽相同；这时，需要用户根据不同的情况，适当调节激光焊接机的功率波形来改善。
二、激光焊接机的选择
在选择焊接机时，一般需要考虑以下因素：
1、光学特性：光斑大小（激光棒直径、光纤直径和类型、出射头参数）、焦面高度、景深、光斑位置、光斑入射角度；
2、控制特性：反馈控制方式、功率波形的选择。
焊接机的光学特性在打样时就可以确定，用户在最初试制产品时就可以直观的确定焊接效果，因此这里不再赘述，而是重点介绍影响激光焊接一致性的激光控制特性。
目前在市场上销售的激光焊接机从控制特性上主要分为两大类：电流负反馈和激光功率负反馈。
电流负反馈是控制激光泵浦氙灯电流使其每次保持氙灯电流恒定的一种控制方式。但是，激光输出功率与泵浦氙灯的电流并不是成线性正比关系，而且随着泵浦氙灯使用时间的延长，电光转换效率显著降低，就会使输出激光能量减小，从而影响焊接效果的一致性。
激光功率负反馈是在激光腔的输出端加一个光电检测器，将检测到的激光功率与所需的激光功率进行比较，进而控制氙灯泵浦电流大小的一种控制方式。
激光功率负反馈分为实时负反馈和非实时负反馈两种。实时负反馈就是在一个激光功率脉冲内将检测到的激光功率与所需的激光功率进行比较，进而控制氙灯泵浦电流大小的一种控制方式。非实时负反馈是将前一个脉冲检测到的激光功率波形与设定波形进行比较，然后确定下一个脉冲激光泵浦氙灯电流大小的控制方式。功率负反馈激光焊接机的组成框图如图2所示。
图2 功率负反馈激光焊接机组成框图
与电流负反馈控制相比，采用激光功率负反馈，输出激光能量的控制精度可以大大提高，尤其适合于大批量生产当中。图3是联赢激光15W激光焊接机分别在电流负反馈和激光功率负反馈控制状态下激光输出能量的波动情况。
图3 激光功率负反馈和电流负反馈时输出激光能量的
从图3可以看出，在近似相同输出功率条件下，电流负反馈下的能量不稳定度大于8%，而激光功率负反馈下的输出能量不稳定度小于3%。而且随着激光焊接机泵浦氙灯使用时间的延长，泵浦氙灯的电光转换效率会进一步降低，电流负反馈状态下输出能量会逐渐减少，需要质量控制人员经常检测输出激光能量，从而增加生产成本。而采用激光功率负反馈时，系统在自动的比较输出激光能量的大小并实时调节补偿泵浦氙灯电流的大小，因此可以保证输出激光能量始终在一个比较稳定的范围内。
另外，采用激光功率负反馈控制的激光焊接机很容易实现激光功率的波形控制，实际上，对于不同的材料，采用不同的激光功率波形，可以使焊接效果更加精美，有时甚至采用传统方式焊接不了的材料也可以通过改变激光功率波形而得到比较好的焊接效果。图4是光通讯行业中的蝶形激光器焊接当中分别采用方波和编程波形时的焊接效果。
图4中A是所要焊接的蝶形激光器的示意图,图中B下部是采用B上部所示激光功率波形时所得到的焊接效果，C是采用C上部的激光功率波形焊接时得到的焊接效果。检测表明，图C中的由于焊斑下凹，其强度远远高于图B中的焊斑突起时的焊接强度。可见，选择合适的激光功率波形，对得到较好的焊接效果非常重要。
图4 不同激光功率波形时蝶形激光器的焊接效果
在选择激光功率波形时，一般来讲，在输出相同的激光能量的前提下，脉宽越宽，焊斑越大；激光功率波形峰值功率越高，焊斑越深。目前来没有一套完整的激光功率波形的设置方法，用户可在使用过程中逐步摸索，探寻适合自己产品的激光功率波形。
激光焊接机的选择，对批量加工成品率影响至关重要；因此，用户在条件许可的前提下，可尽量采用激光功率实时负反馈焊接机来提高产品的优良率。
三、加工工作台的选择：
在大批量生产当中，往往需要采用自动工作台来提高生产效率，因此工作台的不同也会对焊接效果产生很大的影响。工作台的具体选择从理论上讲，精度越高越好；但精度越高，工作台的制作成本也越高，因此需要选择合适的工作台。另外，是否使用保护气体或选择不同的保护气体，同样会对实际的焊接效果会产生很大的影响。工作台相关的特性主要要考虑以下几个方面：
移动特性：移动精度、重复性、移动速度。
夹具特性：夹具精度、散热能力、夹持力、方便性 。
辅助气体：形状、孔径、气体种类、流量、压力、角度、距离。
四、总结
在实际焊接生产当中，会出现各种各样的问题，如何判别问题出现的原因，怎样解决这些问题，也是生产工艺管理过程中非常重要的一环。
一般来说，在所焊接产品的同一部位连续出现焊接不良，很有可能是工作台和夹具有问题，这时，需要从夹具和工作台方面入手解决问题；如果来料批次不同，引起了焊接加工不良，可能是来料问题，需要检查更换来料或改变激光焊接机波形设定工艺条件进行解决；如果偶尔有焊穿和虚焊现象，可以检查焊接机的能量稳定性或工作台及夹具是否存在问题。图5是对激光焊接过程中有可能出现的问题的一个大概分析流程。
图5 激光焊接过程中的质量问题分析
总之，焊接产品的质量保证是一个非常复杂的系统工程，每一个细小的环节都会影响产品的优良率。这就需要用户根据不同的情况进行总结，找出适合各自产品特点的焊接质量控制方法。(end)
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(9/3/2010) |
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