真空條件下的超薄金屬箔激光遠(yuǎn)程自動(dòng)焊接工藝

高 志

（唐山學(xué)院，河北 唐山 063020）

0 前言

提高能源及資源的利用率逐漸成為全球產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)及制造的一項(xiàng)基本要求，因此，節(jié)省材料、降低厚度成為一種重要手段[1]。研究人員嘗試采用100μm厚的金屬箔代替幾毫米厚的金屬板，如醫(yī)療用注射器、傳感器膜片等。適于薄金屬箔微焊連接的工藝主要包括激光焊接工藝和電子束焊接工藝。相比電子束焊接工藝，激光焊接的靈活度較高，且無(wú)需采用X射線，更加安全。因此，關(guān)于薄箔激光焊接技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)，但是研究重點(diǎn)主要集中于常壓和減壓條件對(duì)焊接工藝的影響，關(guān)于真空條件下薄箔激光焊接工藝的研究仍少有報(bào)到。為此，對(duì)真空條件下304不銹鋼鋼箔激光遠(yuǎn)程焊接過(guò)程參數(shù)、焊縫截面形狀以及等離子體參數(shù)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

激光微焊技術(shù)利用高亮激光源可以保證焊縫寬度和箔片厚度具有合理的比值。本實(shí)驗(yàn)采用的400W德國(guó)通快TRUMPF單模光纖激光焊接機(jī)如圖1所示。該焊機(jī)參數(shù)：光纖直徑11 μm；PFO 20的二維掃描單元的最大掃描速度為1 m/s，成像比例為1∶1.5，焦點(diǎn)直徑16.5 μm；光纖與PFO 20連接在一起；PFO 20固定在真空室上方的玻璃板上。

在鋁基板上的焊縫坡口處放置了三個(gè)螺線管。薄金屬箔片通過(guò)可旋轉(zhuǎn)的鐵磁壓力墊固定在鋁基板上，由電磁力提供夾緊力。直流電由電源適配器進(jìn)入螺線管。激光傳遞給真空室的過(guò)程中，玻璃吸收和反射了部分能量，造成了功率損失。玻璃窗口材料為厚度為10 mm的硼硅玻璃，該材料經(jīng)過(guò)化學(xué)表面硬化，但沒(méi)有涂層處理。采用量熱法確定激光穿透玻璃后的功率損耗，如圖2所示[2]。由圖2可知，功率損耗呈線性增加，值得一提的是，光纖激光器的掃描單元并未經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在此提到的電子束功率是指經(jīng)過(guò)損耗修正的功率。

圖1 真空條件下的激光焊接機(jī)

圖2 激光穿透玻璃的功率損耗

帶有石墨涂層的玻璃板上安裝了掃描探針，用來(lái)檢驗(yàn)光束性能并確定工作距離。真空室中的薄箔放在掃描儀的正上方。長(zhǎng)度70 mm的掃描線到達(dá)玻璃之前的速度為100 mm/s，石墨在其作用下立即蒸發(fā)，表明光束具有足夠高的能量。石墨涂層下的玻璃襯底可以反映光束剩余能量，同時(shí)減少熱量影響。因此，可以假設(shè)系統(tǒng)能量處于平衡狀態(tài)。探針的焊接速度很高，而焊縫長(zhǎng)度僅30 mm，光源加熱光時(shí)間非常短，光焦轉(zhuǎn)移時(shí)間可忽略[3]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接過(guò)程參數(shù)

分別對(duì)單一100μm、50μm箔片和兩個(gè)50μm、兩個(gè)25 μm的薄箔搭接接頭進(jìn)行研究。探針尺寸為50 mm×20 mm，焊縫長(zhǎng)度30 mm。常壓條件下不同厚度薄箔焊接參數(shù)關(guān)系如圖3所示。曲線下邊界代表焊縫完全焊透。因此，伴隨焊接速度的增加，功率逐漸增加，直到形成焊根。由于定性邊界是在焊根形成時(shí)采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)到的，因此沒(méi)有顯示誤差線。由于焦點(diǎn)直徑非常小，單一100 μm和50 μm箔片焊接能量較高。相比相同厚度的單一箔片，箔片搭接接頭的上邊界下降，這是缺口造成的。由于下邊界較平緩，可以假設(shè)存在一個(gè)臨界強(qiáng)度/功率，超過(guò)該值就可以實(shí)現(xiàn)完全焊透。由圖3可知，僅在兩種參數(shù)配置條件下兩個(gè)25 μm箔片接頭成功焊接。相同焊接條件下，一個(gè)50 μm薄箔可以實(shí)現(xiàn)焊接，而兩個(gè)25 μm的搭接接頭卻未能實(shí)現(xiàn)。伴隨薄箔相對(duì)厚度的逐漸減小，張力（夾緊力）缺陷變得越來(lái)越重要。圖3b給出了單位長(zhǎng)度能量與焊接速度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，最大焊接速度條件下，所有箔片實(shí)現(xiàn)完全焊透的參數(shù)條件基本一致，最小值約0.1～0.15 J/mm。焊接速度較低時(shí)，厚度不同薄箔的焊接參數(shù)條件出現(xiàn)了較大差異。

超薄箔片對(duì)溫度非常敏感，極易產(chǎn)生變形[5]。因此，需對(duì)焊接參數(shù)曲線的下邊界進(jìn)行研究，該條件下箔片恰好完全焊透。圖4給出了不同壓力條件下薄箔完全焊透的工藝參數(shù)。由圖4可知，低壓條件下的焊接參數(shù)值均偏右，表明低壓焊透所需功率低于常壓焊透。此外，還可以看出，兩個(gè)50 μm薄箔接頭與一個(gè)100 μm薄箔的焊透參數(shù)條件基本一致，這是由通過(guò)等離子體的屏蔽作用減弱造成的。這一結(jié)論由圖5a所示遞減的能量損耗得到了證實(shí)。

圖5給出了不同壓力條件下單位長(zhǎng)度功率及焊縫寬度與焊接速度的關(guān)系曲線。由圖5可知，壓力越低薄箔完全焊透所需能量越少。在高焊接速度條件下，采用光學(xué)顯微鏡在探針上方可以觀察到焊縫寬度略向上轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)椋^高速度產(chǎn)生了較高的能量，冷卻系統(tǒng)的作用減弱，導(dǎo)致了熔池中匙孔的對(duì)流條件發(fā)生了改變。

不同壓力條件下采用光學(xué)顯微鏡觀察到的焊縫照片如圖6所示。大氣條件下焊縫熱影響區(qū)范圍較小，且呈正常的回火顏色。伴隨壓力的減小，焊縫變得越來(lái)越光潔。壓力為100 mbar時(shí)，低速焊接條件下的焊縫熱影響區(qū)范圍比高速焊接大。這是因?yàn)榈入x子體減少和對(duì)流降溫減弱致使熱傳導(dǎo)想薄箔前端擴(kuò)散。高速焊接條件下，氧向薄箔的擴(kuò)散時(shí)間變短，從而使回火顏色變淺。

圖3 常壓條件下不同厚度薄箔焊接參數(shù)關(guān)系

圖4 不同壓力條件下，薄箔完全焊透的工藝參數(shù)

2.2 焊縫顯微截面

不同壓力條件下單一100 μm箔片和50 μm搭接接頭箔片的焊縫顯微截面分別如圖7和圖8所示。焊縫形狀呈倒置的梯形，寬高比約為 1∶3～1∶4，因此，不同壓力條件下的焊縫幾乎是一樣的。對(duì)比圖8可知，壓力對(duì)接頭箔片焊縫的形成影響較小。

2.3 等離子體

低壓條件下，采用放置在真空室前面的高速攝像機(jī)可以觀察到等離子體的形成過(guò)程。相機(jī)固定在薄箔邊緣的垂直面上。高速攝像機(jī)的夾緊裝置示意如圖9所示。本實(shí)驗(yàn)采用Optronis CR2000x2相機(jī)，幀速率2 000 Hz，分辨率512×512 px。由于景深鏡頭圖像需要聚焦于一個(gè)給定距離面上，否則圖片漫射。焊接速度為100 mm/s、功率為82W時(shí)，記錄下來(lái)的等離子體圖像如圖10所示。常壓下熔池中等離子體焰炬的高度約2 mm。壓力減小至100 mbar時(shí)，焰炬高度減小約一半。由于等離子體屏蔽作用減弱，且靜壓減小減弱了對(duì)金屬蒸汽的限制作用，由圖10中第三幅圖可以清晰觀察到等離子體的噴射方向與匙孔垂直。繼續(xù)減小壓力，由于電離作用有限，等離子體焰炬幾乎消失。

圖5 不同壓力條件下單位長(zhǎng)度功率及焊縫寬度與速度的關(guān)系

圖6 不同壓力條件下的焊縫照片

圖7 不同壓力條件下單一100 μm箔片的焊縫顯微截面

圖8 不同壓力條件下50 μm箔片搭接接頭的焊縫顯微截面

圖9 高速攝像機(jī)的夾緊裝置示意

3 結(jié)論

通過(guò)分析臨界完全焊透條件下焊接參數(shù)，對(duì)不同壓力條件下金屬薄箔的自動(dòng)焊接行為進(jìn)行對(duì)比研究。隨著壓力減小，單位長(zhǎng)度的能量逐漸減少，焊縫寬度逐漸增加。這與厚大材料的焊接行為規(guī)律恰好相反。只要氧濃度不超過(guò)閾值，等離子體的形成會(huì)減少焊縫表面的回火顏色。焊縫截面觀察表明不同條件下形成的焊縫基本相同，只有在夾緊力不足時(shí)，缺口才會(huì)產(chǎn)生影響。

圖10 不同壓力條件下的等離子體

[1]劉會(huì)霞.激光驅(qū)動(dòng)飛片加載金屬箔板間接沖擊微成形研究[D].江蘇：江蘇大學(xué)，2011.

[2]劉成玉，王笑川，趙建華.微型件精密點(diǎn)焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2007，37（5）：47-50.

[3]王健，李遠(yuǎn)波，于兆勤，等.基于正交試驗(yàn)的漆包線銅箔單面逆變點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化[J].電焊機(jī)，2014，44（1）：68-72.

[4]張書(shū)浩，曹彪.銅箔漆包線的單面逆變點(diǎn)焊[J].電焊機(jī)，2010，40（9）：26-28.