激光焊接工艺论文

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1原有工艺存在的缺点

1.1焊接光斑大

由于焊接区域很小，在实际生产过程中，放置产品的位置存在一定误差，为了保证焊接光斑不偏离焊接区域，就需要焊接光斑尽量小。经过大量实际生产验证，焊接光斑直径在0.4mm以下可以很好地解决上述问题。这就需要对激光器的光路部分进行改造，在减小焊接光斑的同时保证光束质量不变。

1.2焊接良品率低

手机扬声器弹片焊接的具体需求为：

（1）焊接拉力大于10N；

（2）不能击穿下层材料；

（3）光斑不能大于0.4mm。通过以上三个指标评价产品的良品率，不良品率应低于2%。在原有配置（激光棒直径7mm，传导光纤芯径400μm）条件下，不良率高达5%以上。

2改造方案及结果

2.1光学部分改造

首先需要解决光斑偏大的问题，结合聚焦光斑大小基本原理由此可见，若要得到较小的聚焦光斑，需要减小传导光纤的芯径D、增加扩束镜焦距f2及减小聚焦镜焦距f1。但是这些配置都不能随意更改，原因一：如传导光纤的芯径太小，将加大光纤耦合的难度，增加激光烧毁光纤的风险；原因二：扩束镜焦距的焦距直接决定了聚焦光束的焦深，焦距越大，焦深越短，这样激光束对工件的高低公差要求更高，不便于后续的工艺调试；原因三：聚焦镜的焦距直接影响到焊接的幅面，焦距越小，幅面越小。综合以上分析，结合实际需求，将外光路系统设计为光纤芯径D=0.2mm，扩束镜焦距f2=180mm，聚焦镜焦距f1=170mm，根据式可求得聚焦光斑为0.2mm，但是实际焊接的光斑约为0.45mm。仍然无法达到实际生产的要求。对激光器内部光学进行改造，常规的Nd:YAG焊接使用的激光棒直径（工作物质）为φ7mm。为了得到更小的光斑，将激光棒的直径改造成φ4mm，相应的结构件（如激光棒与腔体的连接件、密封圈等）也做一些改造。为提高装配的便利性及后期的稳定性，激光器腔体的大小也相应减小，使得与激光棒的配合更加紧密。在其他条件一样的情况下，激光棒直径为φ7mm时，焊接半径为0.22mm，如图2a所示。激光棒直径为φ4mm时，焊接半径为0.177mm，如图2b所示，相对于φ7mm的激光棒，光斑减小了20%以上，可以达到焊接光斑直径小于0.35mm的要求。

2.2焊接工艺优化

在光学部分改造后，为解决拉力不够10N和良品率低的问题，通过大量工艺测试，对生产工艺进行改造。在保持其他条件不变的情况下，对激光峰值功率、脉冲宽度、离焦量三因素进行三水平正交试验，所取因素水平见表1，并分析其对焊接拉力及良品率的影响。当激光峰值功率较低，为800W时，产品的不良率主要是平均拉力小造成的，无击穿现象发生，表明峰值功率对焊接拉力大小起到主要因素。当峰值功率较大，为1000W时，主要的不良率是由于击穿现场产生的，这是因为下层材料本身很薄（0.08mm），功率稍大，即容易击穿（脉冲激光的激光功率稳定性一般在3%左右）。脉冲宽度主要影响焊接光斑的大小及拉力的大小，脉宽越宽表示单个脉冲与材料的作用时间越长，这样焊接光斑较大，拉力也较强，但是由于工件本身焊接的区域较小，要求焊接光斑小于0.35mm。所以在保证上层材料光斑大小一定的情况下，需要优化工艺参量，使得下层材料的熔缝宽度足够大（将上下两层材料拉拖开，测试下层材料的熔缝宽度大小）。其结果如图3所示，图3a是脉冲宽度为1.5ms时下层材料的熔缝宽度，半径为0.08mm；图3b是脉冲宽度为2.0ms时下层材料的熔缝宽度，半径为0.112mm。拉力测试表明图3b的熔缝宽度的拉力比图3a的大30%。这两种不同的熔缝宽度表明了上下两层材料之间的熔合面积不同，直接对焊接拉力的大小产生影响。

3结论

（1）改造激光器外部光路及内部光路，具体改造方案为光纤芯径D=0.2mm，扩束镜焦距f2=180mm，聚焦镜焦距f1=170mm，激光棒直径由φ7mm改造为φ4mm，达到了焊接光斑小于0.35mm的要求。

（2）通过工艺正交试验，对焊接工艺参量进行改进，得出最佳的工艺参量为激光峰值功率900W，脉冲宽度2ms、离焦量2mm时，达到了焊接拉力大于10N，不良率控制在2%以下的目的。

作者:范红姚小强单位:江苏省盐城技师学院