不銹鋼激光焊接能量控制與工藝試驗研究

陳樹林

(深圳信息職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518172)

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不銹鋼激光焊接能量控制與工藝試驗研究

陳樹林

(深圳信息職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518172)

針對不銹鋼激光焊接加工工藝復雜性，研究脈沖激光能量與焊接工藝。研究了脈沖激光焊接能量，并通過仿真分析了脈沖激光能量分布。以不銹鋼材料為試驗對象，通過脈沖激光焊接試驗臺，對不同形狀的拼接形式進行了對比分析，選用合理的焊接參數，解決了半導體脈沖激光焊接技術難題，提高了脈沖激光焊接的效率與質量。

激光焊接；焊接工藝；工藝參數優化；焊接質量

激光精密拼焊技術在國外轎車制造中得到了廣泛的應用。對于超薄板(如板厚<100μm的箔片)，無法進行熔焊，但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，這顯示了激光焊的廣闊前景。

張偉等[1]研究了深熔激光焊建模方法，介紹了近年來深熔激光焊接過程數學模型的進展，重點討論了光致等離子體、小孔的作用機制及其對焊接過程的影響， 以及人工神經網絡方法在深熔激光焊數學模型中的應用。許飛等[2]研究了5A06鋁合金激光填絲焊接特性， 對1.2mm厚的5A06 鋁合金薄板進行了激光填絲焊試驗，發現在較低焊接速度時激光焊不能實現有效焊接的焊接工藝參數, 通過添加焊絲卻可以獲得較好的深熔焊效果，焊縫中只含有少量微小氣孔，并分析了焊接效果及氣孔的形成機理。文獻[3-4]研究了鋼板激光焊接關鍵技術與焊接工藝，圍繞鍍鋅鋼激光焊接的關鍵技術，討論了提高激光焊接鍍鋅鋼焊接質量的多種工藝和方法，包括尋求特定的工藝措施、工藝參數優化和焊接過程的仿真優化以及在線檢測控制。辛立明等[5]研究了基于改進的多體系統誤差建模理論的激光拼焊生產線運動誤差模型。張大文等[6]研究了鋁合金連續-脈沖激光焊接工藝對比試驗研究，采用脈沖激光和連續激光分別對1.5mm厚的5052 鋁合金板進行了焊接，并對工藝參量進行了優化，通過對2種不同類型激光焊接試樣的焊縫形貌的對比，微觀組織的分析，抗拉強度和顯微硬度測試，可知脈沖激光焊接對焊接接頭氣孔的控制更為理想，使得脈沖激光焊接所獲得的焊接質量更加優異，與連續激光焊接相比，其接頭的抗拉強度增加了10%。

圖7　小翼掛架在銑鏜檢夾具上的姿態

本文對脈沖激光焊接理論和激光精密焊接工藝進行了研究。通過脈沖激光仿真，驗證脈沖激光的能量變化。通過激光焊接試驗臺，研究焊接工藝參數，優化半導體激光焊接工藝參數，以實現更好的焊接效率與焊接質量。

1　焊接原理與焊接工藝研究

1.1焊接原理

激光焊接是利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區域內的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料的內部擴散，將材料熔化后形成特定熔池，以達到焊接的目的。脈沖激光焊接可分為傳熱熔化焊接和深穿入熔化焊接。傳熱熔化焊接是指當激光束照射到材料的表面上時，材料吸收光能而加熱熔化，材料表面層的熱以傳導方式繼續向材料深處傳遞，直至將2個待焊件的接觸面互熔并焊接在一起；深穿入熔化焊接是指當更大功率密度的激光束照射到材料上時，材料被加工熔化直至氣化，產生較大的蒸氣壓，在蒸氣壓力的作用下，熔化金屬被擠在周圍使照射處(熔池)呈現出一個凹坑，隨著激光束的繼續照射，凹坑越來越深，并穿入到另一個工件中，激光停止照射后，被排擠在凹坑周圍的熔化金屬重新流回到凹坑里，凝固后將工件焊接在一起。

1.2焊接工藝

激光焊接工藝表見表1。

表1　激光焊接工藝表

1.3脈沖激光仿真

采用鎖模技術對脈沖激光進行特殊的調制，強迫激光器中振蕩的各個縱模的相位固定，使各模式相干疊加，以得到超短脈沖。各模振幅相等，光強相等。

Eq=E0

(1)

Iq=Iq-1=I0

(2)

(3)

如果各模式相位未被鎖定，輸出功率為各模功率之和。由此可見，鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時提高了(2N+1)倍。腔長越長，熒光線寬越大,則腔內振蕩的縱模數目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。I(t)為輸出光強；2N+1=7個縱模，經鎖模后得到有規則的脈沖。

脈沖激光仿真實驗臺包括半導體激光器、紅光指示器、光電耦合傳感器、半反射、全反射和45°反射鏡(見圖1)。在外部輸入60A電流脈沖激光仿真效果如圖2所示。

圖1　脈沖激光仿真實驗臺

圖2　脈沖激光仿真效果

2　實例分析

試驗臺主要由激光器及導光聚焦系統、激光電源、冷卻系統、PLC控制系統和十字滑臺工作系統等組成。主光路系統由諧振腔膜片、YAG晶體、氙燈、擴束鏡及聚光腔組成，它決定了激光的輸出。其光路圖如下：激光波長1 064nm；最大輸出功率≥300W；平均輸出功率≥280W；輸出能量≥50J；脈沖頻率0.1～100Hz。SMC-6480四軸位置控制器是一臺多功能、高精度的控制主機，配以步進電動機和驅動器，加上SMC-6480四軸位置控制器自備的軟件，組成了一個高質量的自動控制系統。脈沖激光焊接試驗臺如圖3所示。半導體激光器參數見表2。

圖3　脈沖激光焊接試驗臺

名稱參數名稱參數波長/nm1064激光器功率/W300光束質量/mm·mrad2光纖最小直徑/μm50穩定性/%1外形尺寸/mm730×1375×1120

選用不同形狀的2對不銹鋼進行拼接焊試驗。試驗表明，激光加熱不銹鋼材料開始熔化，形成液相金屬并出現問分汽化，形成市壓蒸氣，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。2種不同接頭形式焊接效果如圖4所示。

圖4　不銹鋼脈沖激光焊接效果

3　結語

半導體脈沖激光焊接機理與功率密度、照射時間、材料性質和焊接方式等因素有關。不銹鋼拼接焊根據不同的材料厚度，選用不用的焊接工藝參數。當功率密度較低、照射時間較長而焊接件較薄時，通常以傳熱熔化機理為主進行。

[1] 許飛，陳俐，鞏水利，等.5A06鋁合金激光填絲焊接特性研究[J].新技術新工藝，2008(10)：68-71.

[2]ZhangYK,ZhangL,LuoKY,etal.EffectsoflasershockprocessingonmechanicalpropertiesoflaserweldedANSI304stainlesssteeljoint[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2012,25(2): 285-292.

[3] 張屹，李時春，金湘中，等.鍍鋅鋼板激光焊接關鍵技術研究[J]. 中國激光，2010(7): 1-9.

[4] 辛立明，徐志剛，趙明揚，等.基于改進的多體系統誤差建模理論的激光拼焊生產線運動誤差模型[J]. 機械工程學報，2010，46(2):1-4.

[5] 張偉，熊建鋼，李志遠.深熔激光焊建模方法的研究進展[J].應用激光，2000,20(5):205-208.

[6] 張大文，張宏，劉佳，等.鋁合金連續-脈沖激光焊接工藝對比實驗研究[J].激光技術，2012，36(4):453-458.

責任編輯馬彤

ResearchonStainlessSteelPrecisionLaserWeldingEnergyControlandProcessTest

CHENShulin

(MechanicalandElectricalEngineeringSchool,ShenzhenInstituteofInformationTechnology,Shenzhen518172,China)

Inviewofthecomplexityofthelaserweldingprocessofstainlesssteel,thepulselaserpowerandweldingprocessisstudied.Firstly,thepulsedlaserweldingenergyisstudiedthroughthesimulationrealizationofpulselaserenergyanalysis.Secondly,bypulselaserweldingtestbench,withstainlesssteelmaterialastestobject,thetestmethodandtestprocessaredesignedtoverifythepulselasertechnology.Theproblemofsemiconductorpulselaserweldingtechnologyissolvedbyreasonableweldingparameterstoimprovetheefficiencyandqualityofthepulsedlaserwelding.

laserwelding,weldingprocess,theprocessparametersoptimization,weldingquality

2016-05-22

TH162A

陳樹林(1979-)，男,博士,講師，主要從事電氣控制與制造技術等方面的研究。