激光技術(shù)在光源電極中的應用

胡 欣

(上海亞爾光源有限公司，上海 201801)

0 引言

燈內(nèi)電極的焊接一直沿用傳統(tǒng)的電極電阻焊接，該技術(shù)采用上下鎢電極放電焊接，即將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合。由于受多種因素的影響，其焊接后的產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，而且焊接強度的一致性很差。其主要缺點有以下幾方面:

(1)焊接電極接觸面大，焊件位置不能保證，導致焊接的強度很不穩(wěn)定。

(2)電極表面由于放電產(chǎn)生不平，需要經(jīng)常修磨。電極廢棄后會產(chǎn)生污染。

(3)經(jīng)過燒氫處理后，焊點會有脫落現(xiàn)象。

(4)焊接小規(guī)格產(chǎn)品時，由于上下電極的擠壓會造成產(chǎn)品的變形。

(5)焊接能量變化，導致產(chǎn)品發(fā)脆。

(6)單個產(chǎn)品焊接時間長。

(7)產(chǎn)品手工焊接，使用簡單夾治具不能保證焊接的質(zhì)量。

對于照明燈泡來說，電極是其電弧管的心臟，電極的結(jié)構(gòu)、形狀的設(shè)計、材料的選用、工藝的處理都會影響到燈的光電參數(shù)及使用壽命。為此對電極的深入研究和探討必不可少，是制造高光效、長壽命、光色好的陶瓷金鹵燈的關(guān)鍵。電極工作在一個密閉的電弧管泡殼腔體內(nèi)，其兩端工作溫度在2 500～3 000 ℃之間，最高溫度可達4 000～5 000 ℃，該溫度與燈的燃點位置、鎮(zhèn)流器種類、電壓、電流等多種因素有關(guān)。

1 項目思路

隨著激光技術(shù)的不斷成熟和完善，高效、穩(wěn)定、精密的激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的電阻焊接已經(jīng)不可避免。但是由于產(chǎn)品很小，精度要求高是擺在我們面前的難題。目前只有OSRAM、PHILIPS、GE 等少數(shù)幾家公司能自主生產(chǎn)該類產(chǎn)品，滿足自己公司的需要。為了達到世界一流的電極制造目標，我們開展了激光電極研究項目，使用國產(chǎn)的激光電極來滿足市場的要求。

2 項目的主要內(nèi)容

2.1 項目的技術(shù)創(chuàng)新點

采用高精度的激光焊接新工藝、新設(shè)備和精密模具、焊接技術(shù)，解決該類電極產(chǎn)品焊接、產(chǎn)品形位公差等工藝技術(shù)問題，為制備各種燈用電極開創(chuàng)了新的工藝技術(shù)路線。

2.2 激光的原理及特點

激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應可用于焊接工藝高功率CO2及高功率YAG 激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd:YAG 激光器。Nd(釹)是一種稀土族元素，YAG 代表釔鋁柘榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd:YAG 激光器波長為1.06 μm，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4 kW 的Nd:YAG 激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6 μm 的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5 kW 之間。

激光焊接的特點是:

(1)速度快，深度大，變形小。

(2)能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移;激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M行焊接。

(3)可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。

(4)激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5 ∶1，最高可達10 ∶1。

(5)可進行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應用于大批量自動化生產(chǎn)的微小型工件的組焊中。

(6)可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應用。

(7)激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制是一個激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，利用光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)自動化激光焊接。

2.3 實施與解決

2.3.1 激光器的選擇

高精度的激光發(fā)生器是必需的。由于焊接所需要的功率不大，我們選擇了焊接精度較高，并能通過光纖傳遞的YAG 激光器。該類激光器也被廣泛運用在電子、汽車等領(lǐng)域。

2.3.2 焊接參數(shù)的選擇

由于產(chǎn)品的尺寸又細又短，最小的產(chǎn)品直徑只有0.2 mm，厚度只有0.03 mm，這給我們的焊接制造了很大的困難。怎么才能將這么細、薄的材料焊接到一起呢，我們試驗了很多廠家的激光設(shè)備，以及不同的焊接參數(shù)，不一樣的焊接位置等，最后我們找到了THM 公司高精度的激光焊接設(shè)備，同時采用直徑為0.2 的光纖兩點焊接，保證產(chǎn)品的一致性、配合尺寸和焊接強度的要求。技術(shù)研發(fā)人員通過自主研發(fā)、設(shè)計，歷時一年摸索得到的這些工藝、設(shè)備，再加上公司穩(wěn)定的質(zhì)量控制，從而確保了產(chǎn)品的質(zhì)量。

對于半成品鎢彈簧和鎢芯棒的要求來說，也需要有一個大的提高，才能滿足高速的激光生產(chǎn)需要，我們進口了一些彈簧繞制設(shè)備，加強了上述產(chǎn)品公差的控制，為激光焊接創(chuàng)造良好的條件。

為了防止產(chǎn)品在焊接過程中的氧化，我們選擇了多種的保護氣體，如氮氣、氦氣、氬氣、不同比例的氫氮混合氣，最終我們選擇到了合適的保護氣體。

2.3.3 加工的設(shè)備

采用激光焊接工藝，將半成品鎢彈簧和鎢芯棒裝入自動化設(shè)備后進行焊接，焊接成產(chǎn)品形位公差不大于+/ -0.003 mm，平整度誤差不大于0.03 mm，焊接強度大于2.5 磅，產(chǎn)品無過焊、氧化現(xiàn)象。

電極激光自動焊接屬于熔融焊接，其優(yōu)點:

(1)控制激光能量穩(wěn)定，產(chǎn)品焊接一致性好，質(zhì)量得到保證。

(2)不需使用焊接電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，產(chǎn)品的耗損及變形可降至最低，最大程度保證了產(chǎn)品的一致性。

(3)激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，能精確的對準焊件。

(4)電腦控制，可以切換裝置將激光束傳送至多個出射頭。

(5)焊接后兩個物品相互熔融，強度好。

設(shè)備原理:該設(shè)備是由激光發(fā)生器和主設(shè)備兩部分組成的，其生產(chǎn)運行的速度達到25 只/分鐘。激光由發(fā)生器內(nèi)的釹(Nd)為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒(Nd:YAG)產(chǎn)生1～8 kW 的連續(xù)單一波長光束。其激光波長為1.06 um，通過多道柔性光纖連接到激光出射頭。電極和芯棒在主設(shè)備上進行裝配后，運行到特定的工位由激光進行焊接。其中焊接的參數(shù)經(jīng)過大量試驗的數(shù)據(jù)積累，可以保證電極的焊接強度，彎折強度，焊道無氣孔及脆化現(xiàn)象。焊接過程中有CCD設(shè)備進行全程監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)各類問題。焊接好的產(chǎn)品自動落料，節(jié)約了人工。設(shè)備是與日本公司共同開發(fā)的，生產(chǎn)效率達到25PCS/Min，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。目前已經(jīng)有兩臺設(shè)備(圖1)在生產(chǎn)，為公司取得了大量的經(jīng)濟效益。

圖1 激光加工設(shè)備

2.3.4 產(chǎn)品種類

產(chǎn)品種類見表1。

表1 不同種類的部件規(guī)格

2.3.5 項目的經(jīng)濟效益和社會效益

(1)現(xiàn)已得到了包括美國GE 公司、美國SALVANA、荷蘭飛利浦、亞明等多家國際、國內(nèi)供應商的認證，獲得了大量的訂單，同時又填補了國內(nèi)電極激光焊接生產(chǎn)的空白，打破了只有少數(shù)幾個歐美國家能夠生產(chǎn)該產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，為國內(nèi)的照明行業(yè)電極生產(chǎn)起到了推動作用。

(2)通過研發(fā)人員的努力，該產(chǎn)品正在申請多項專利。由于電極自動激光生產(chǎn)，企業(yè)年增加銷售1 200 萬元，利潤增加260 萬元，增加稅收46 萬元。目前粗略估算，公司電極的市場占有率達到80%以上，可以說已經(jīng)占有了國內(nèi)的市場。

3 小 結(jié)

綠色照明的發(fā)展對緩和我國能源緊張的狀態(tài)，減輕污染是十分重要的，也得到了國家各項政策的大力扶持。本項目即電極激光焊接，是在現(xiàn)有激光技術(shù)不斷成熟和完善的基礎(chǔ)上，采用高精度的激光焊接新工藝、新設(shè)備和精密模具、焊接技術(shù)，解決該類電極產(chǎn)品形位公差等工藝技術(shù)問題，開發(fā)出了新型的電極焊接方法，該方法為制備各種燈用電極開創(chuàng)了新的工藝技術(shù)路線。項目取得了巨大的成功，贏得了國內(nèi)外的大量客戶，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。同時該產(chǎn)品市場需求量大，發(fā)展前景良好，特別是國外的市場還有很大的潛力。同時我們會繼續(xù)加大科技投人，加大研制開發(fā)力度，進行汽車金鹵燈電極的開發(fā)，以適應國內(nèi)外光源市場的需求，盡快趕超國際先進水平。

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