激光焊接鋁合金電視機面框

2014-03-12 06:51:08姚國紅周朝軍

電焊機 2014年4期

關鍵詞：焊縫

姚國紅，萬虎，劉勇，周朝軍

（1.四川長虹電器股份有限公司工程技術中心，四川綿陽 621000；2.四川長虹電器股份有限公司工程技術中心深圳分部，廣東深圳 518107）

0 前言

鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性能好、散熱性好、成形性好、外觀美觀及低溫性能好等特點，被廣泛應用于消費類電子產品上[1]。鋁合金電視機面框既能滿足電視機產品輕薄化的結構設計要求，又能滿足高檔次金屬質感、有多種色彩可選擇的外觀需求。

1 鋁合金電視面框工藝現狀

目前市面上常見的平板電視鋁合金面框連接工藝有鎖螺絲連接、鉚釘鉚接、氬弧焊焊接、激光焊接（Laser Welding）等。鎖螺絲和鉚釘鉚接工藝要求鉚接的材料部位需要有一定的厚度，相應的要有一定數量螺絲牙或是鉚接厚度才能實現一定強度，所以鎖螺絲或是鉚釘鉚接的工藝較難實現超薄設計的需求。氬弧焊焊接強度強，但是自動化程度低、對材料影響較大，在鋁合金材料背面進行焊接，高溫對焊縫影響明顯，在外觀表面因高溫出現的表面焊疤明顯且難以去除，只能通過噴漆的方式遮蓋，掩蓋了鋁合金能夠陽極氧化多色彩的優點。

鋁及鋁合金激光焊接技術是近十幾年來發展起來的一項新技術，與傳統焊接工藝相比，具有有以下優點：①能量密度高，熱輸入低，熱變形量較小，熔化區和熱影響區窄，但是熔深比較大；②冷卻速度高，獲得的焊縫組織微細，焊接接頭性能較好；③與接觸電阻點焊相比，激光焊不用電極，減少了工時和成本，且易于標準化、自動化；④不需要電子束焊時的真空環境，且保護氣和壓力可選擇，被焊工件的形狀不受電磁影響，過程中不會產生X射線；⑤激光可用光導纖維進行遠距離傳輸，從而使工藝適應性好，配合計算機和機械手可實現焊接過程的自動化與精密控制[2]。

2 激光焊接技術原理

激光焊接一般采用連續激光光束完成材料的連接，能量轉換機制是通過“小孔”結構來完成的。在較高的功率密度的激光作用下，材料直接汽化由此形成了孔穴。這個充滿氣態金屬的孔穴幾乎吸收了入射光束的全部能量從而形成高溫，熱量從這個高溫孔穴中傳導出來，熔化孔穴四周的金屬。孔穴內的金屬在激光的照射下連續蒸發產生高溫蒸汽，孔穴由熔融金屬包圍著，熔融的液態金屬外面又是固體鋁材，融化的液態金屬流動和孔穴內壁表面張力與孔穴內產生的金屬蒸汽壓力相持最終維持著一定的平衡。激光能量連續照進孔穴內，孔穴四周熔融的鋁合金在連續流動，激光的光斑向前移動，融化形成的孔穴四周一直處于平衡狀態。即高溫形成的孔穴和孔穴四周有高溫的熔融鋁合金隨著激光的光斑移動而移動，隨后熔融的鋁合金又填入光斑移動開后留下的縫隙中，然后又迅速冷凝，就形成了焊縫[3]。

3 電視機鋁合金面框激光焊接設計技術要求

電視機面框朝著超窄、超薄的方向發展，要求鋁合金面框具有以下特點：所用材質和整體設計薄；有較高的強度，能夠滿足電視機面框的運輸、裝配和電視機強度測試的要求；在所有工藝完成之后進行激光焊接，激光焊接不能對外觀造成任何影響。

3.1 激光設備

目前應用的激光器主要是CO2和YAG激光器。CO2激光器功率大，適合于要求大功率的厚板焊接。YAG激光功率較小，鋁合金表面對YAG激光束的吸收率相對CO2激光較大，可用光導纖維傳導，適應性強，工藝安排簡單。因此采用YAG激光器焊接。

3.2 技術要點

（1）離焦量。

離焦量指焦點偏離工件的距離，實質是改變激光照射到工件表面的能量密度。離焦量的參數有兩種：激光的焦點位于工件表面上方即為正離焦，位于工件表面的下方則為負離焦。激光的焦點處能量最高，離焦量的大小決定了作用于材料表面光斑的直徑和能量的大小，從而影響融斑和熔深的大小。當正負離焦量的絕對值相等時，作用于工件表面的能量密度相同，但一般情況下負離焦量時作用于工件內部功的能量大于表面，激光焦點處的能量最高，能夠獲得更大的熔深。

由于不同的激光器發射出的激光有差異，在焊接時對離焦量的要求也是不一樣的。在使用500W的YAG激光器焊接鋁合金電視面框時采用的是-0.4mm的離焦量，以確保一定的熔深且不會出現焊穿的現象而影響鋁合金正面表面處理的效果[4]。

（2）焊接速度。

焊接速度直接影響型材熔深的穩定性和生產效率。為提高生產效率一般會提高焊接速度。提高焊接速度，能夠穩定激光小孔，但是激光作用于材料表面的能量就會減小，從而減小焊縫熔深，而且焊接速度太快，會導致熔滴過渡不穩定，引起熔池的不穩定；相反降低焊接速度能夠增加作用于工件上的能量，從而加大熔深，提高焊接強度，但降低焊接速度會直接影響焊接的效率，且若是焊接速度過低，到一定極限之后熔深就不會再加深，只會增加熔寬，導致焊接過程不穩定，造成金屬飛濺，甚至有可能造成焊穿，破壞電視機面框的外觀面的效果。

使用500 W YAG的激光器對6063鋁型材進行焊接，通過對比不同焊接速度下的焊縫形態和強度可以發現：在焊接速度為1.15 m/min時，熔滴過渡不是穩定的射滴過渡；在焊接速度為0.5m/min時，沒有觀察到小孔的存在，激光小孔由于不能夠維持自身的平衡，發生坍塌，出現正面焊穿的現象；在焊接速度為0.8 m/min時，焊縫和焊接的過程都很穩定[5]。

（3）激光光束與所焊平面的相對傾斜角度。

鋁合金對激光的吸收能力很差，對YAG的激光反射率高達80%以上，所以激光光束與所焊平面相對傾斜一定的角度既能防止鋁合金將激光反射回來損傷光鏡，又能減少等離子體對激光能量的吸收，提高激光能量的利用率。但該角度不能過大，否則會使激光光斑作用在熔融金屬上，減少熔深，影響焊接強度。在焊接電視機鋁合金面框時，采用激光光束與所焊平面相對傾斜30°的角[6]。

（4）機械手行程的控制。

焊縫走向及位置是機械手姿態控制的難點。鋁合金電視機面框焊接處為四個角，平面和垂直方向，需要焊接的行程較短，僅需控制好機械手行程防止機械手行走時的抖動，從而避免影響焊接和送絲的不穩定性，防止假焊、焊料堆積、縮孔和其他焊接缺陷。

（5）保護氣體。

鋁合金在空氣中非常容易氧化，為了提升鋁合金的激光焊接強度，在焊接時采用氦氣或是氬氣作為保護氣體，能夠得到美觀的焊縫及防止氧化物的夾雜[7]。

4 電視機鋁合金面框激光焊接工藝

4.1 結構設計要求

（1）兩根型材的筋邊與筋邊加工后激光焊接的拼合縫隙應小于等于0.2mm，避免縫隙過大導致漏焊、虛焊。

（2）放置焊片的凹槽深度為0.8~1.0 mm，相應焊片厚度也為0.8~1.0 mm，放置焊片的凹槽與筋之間的間距L應大于等于1.5 mm，如圖1所示。如果激光焊接的焊縫處離邊緣太近，既容易影響焊縫的形成，又影響焊接效率。由于激光焊接時激光頭與焊接處要保持一定的角度，如果需要焊接處與垂直的筋邊靠得太近，筋邊可能會影響激光的路徑，要對此位置進行焊接，必須再次轉換激光頭的角度，從而影響了激光焊接的效率。