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光纖激光焊接機器人在鋁合金IT構件産品中的應用

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光纖激光焊接機器人在鋁合金IT構件産品中的應用

發布日期:2018-08-01 作者: 點擊:

随着手機、平闆電腦、筆記本等消費類電子産品的更新發展,大量新工藝、新材料、新結構得到了應用,而鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕、成型性好等優點,被廣泛應用于制作各種消費類電子産品結構件,并采用激光脈沖點焊工藝進一步加工。在使用激光進行脈沖點焊時,焊點極易産生裂紋,造成焊接強度下降,穩定性也大大降低。傳統的CO2、YAG等連續激光器焊接鋁合金雖然能夠避免裂紋的産生,但是傳統激光器光束質量差、體積龐大、維護費用高、光電轉換效率低,在一定程度上制約了其在消費類電子産品上的應用。尤其是消費類電子産品的結構件都具有厚度薄、體積小、精度高等特點,采用傳統連續激光器焊接時易産生變形大、焊穿、燒熔等問題。

光纖激光焊接機器人的快速發展為解決這一難題帶來了契機,光纖激光焊接機器人誕生于20世紀60年代,受當時技術條件限制,發展比較緩慢。自1988年Snitzer等人提出雙包層光纖以來,基于這種包層泵浦技術的光纖激光焊接機器人和放大器獲得了快速發展,光纖激光器的輸出功率水平快速提升,并廣泛應用于高精度激光加工、激光醫療、光通信及國防等領域。

相對于傳統激光器,光纖激光焊接機器人光束質量好、體積小、精度高、光電轉換效率高。在焊接消費類電子産品的鋁合金結構件時,能夠很好地避免傳統激光器焊接時存在的一些缺陷和問題。在此将光纖激光器和在消費類電子産品鋁合金結構件上應用廣泛的脈沖激光器進行對比研究,以确定光纖激光焊接機器人是否能夠成功應用于此類産品上。

實驗材料和設備

(1)實驗材料

實驗選取了具有代表性的5052鋁合金作為材料,并分析其化學成分,結果如表1所示。材料厚度為0.8mm,焊接接頭為搭接接頭。

(2)實驗設備

實驗所用脈沖激光器為YAG燈泵功率反饋脈沖激光器,激光器功率300W。光纖激光器采用單模光纖激光器,激光功率500W

實驗過程中采用金相分析法評估焊接質量,通過拉力測試評估焊接強度,并通過測量焊後工件外觀尺寸的方法評估焊接變形。

焊接缺陷

鋁合金激光焊接的主要缺陷是氣孔和裂紋,這點在脈沖激光焊接時體現得尤為明顯。一般認為鋁合金激光焊接産生的氣孔主要是氫氣孔和低熔沸點合金元素蒸發導緻的氣孔。鋁合金線膨脹系數高,焊接應力大,又是共晶型合金,易産生熱裂紋。尤其是激光脈沖點焊時,單個脈沖作用時間短,熱循環速度快,裂紋傾向很大。而采用光纖激光器連續縫焊鋁合金時,由于熔池存在時間大大延長,改善了焊接應力以及低熔點物質對焊接裂紋的影響,極大地減少了焊接過程中産生裂紋的傾向。同時,熔池存在時間的延長也有利于熔池中氣體的排出,減少焊接氣孔的形成。

脈沖激光器鋁合金點焊焊點與光纖激光器縫焊焊縫金相對比如圖3所示,由圖3可知,光纖激光器連續縫焊條件下,裂紋和氣孔都得到了明顯的改善。

強度和穩定性

焊接裂紋會明顯降低焊接接頭的強度,對産品的實用性和可靠性有巨大影響,是具危害的焊接缺陷之一。鋁合金脈沖激光點焊時,裂紋是影響焊接強度的一個重要因素,由于裂紋的不可避免性以及不規律性,造成鋁合金點焊的強度遠遠低于材料本身的強度,并且各個焊接産品之間的強度差異也很大,穩定性較差。而光纖激光器連續焊接方式焊接鋁合金能夠避免焊接裂紋的産生,有效提高焊縫的強度和穩定性。

光纖激光器和脈沖激光器焊接同一鋁合金産品的焊接拉力進行對比。經計算,光纖激光器的平均拉力是脈沖激光器的3.9倍,而拉力數據的标準偏差隻有脈沖激光器的1/3。結合圖3的金相分析可知,光纖激光器的焊縫結合部位的寬度比脈沖點焊小得多,但是拉力能達到脈沖激光器的近4倍,這是因為:(1)光纖激光器焊縫在長度方向上仍有延伸,實際的有效結合面積并不比脈沖焊點小;(2)脈沖焊點的氣孔和裂紋等焊接缺陷造成其焊接強度遠低于母材強度,而光纖激光器焊縫的強度接近母材。因此,光纖激光器在焊接該類型産品時,相比脈沖激光器能夠有效提高強度和穩定性。

焊接效率

由于光纖激光焊接機器人縫焊的拉力大大高于脈沖激光點焊,這為提高焊接效率提供了空間,通過減小焊縫條數和焊縫長度,能夠在較高的焊接效率條件下,實現與脈沖激光點焊相同甚至更高的焊接拉力。

在實際操作過程中,通過合理優化焊接參數、焊縫條數、長度以及焊接位置等,光纖激光器分段連續縫焊工藝完全可以替代原有的脈沖激光點焊工藝。根據實際生産中的統計數據,該工藝獲得了原有脈沖激光點焊工藝3倍以上的生産效率,同時,将焊接拉力提高到原有脈沖激光點焊工藝的1.5倍以上。

焊接變形

鋁合金線膨脹系數大,易産生焊接變形。激光焊接鋁合金的變形量相對較小,但是在焊接IT構件類精密程度較高的産品時,即使微小的變形仍然會産生較大的影響,需要進行預防控制。一般采用傳統連續激光器進行縫焊的熱輸入量都要大于脈沖激光點焊,因此變形量也會比脈沖激光點焊大。而光纖激光器由于具有優異的光束質量,光斑更小,能量更集中,能夠以更快的速度和更小的熱輸入量進行焊接,因此産品變形相對傳統連續激光器更小。

由于光纖激光器具有上述特點,同時光纖激光器焊接鋁合金IT構件産品時的強度遠高于脈沖激光器,通過合理優化光纖激光器的焊接參數、焊縫條數、焊縫長度以及分布位置,在滿足工件的強度要求的同時,減少了焊接過程中注入工件的整體熱量,以達到進一步減小工件焊接熱變形的目的。經測量,光纖激光器縫焊工件的整體焊接變形量超出脈沖激光點焊3.5%,相對脈沖激光點焊工藝差異不明顯,能夠滿足實際需求。

産品外觀

IT構件類産品對外觀都有較高的要求,而鋁合金材料受元素偏析、表面粗糙度、氧化層等影響,造成工件表面激光吸收率不一緻,這種現象對激光脈沖點焊影響較大。采用脈沖激光點焊時容易出現未焊合、飛濺、煙塵等問題,影響産品外觀和性能,需要進行二次清理。

脈沖激光器點焊焊點與光纖激光器縫焊焊縫的外觀對比如圖4所示。光纖激光器連續縫焊鋁合金時,焊接過程更加平穩,不易産生飛濺和煙塵,無需進行二次清理,在外觀和工序上均優于脈沖激光器。

結論

(1)采用光纖激光器連續縫焊鋁合金IT構件産品可以避免脈沖激光點焊時常出現的焊接裂紋、氣孔等缺陷,大大提高了焊接強度及其穩定性。

(2)通過優化光纖激光器的焊接參數、焊縫條數、焊縫長度以及分布位置,可以減小焊接變形,提高生産效率。

 (3)光纖激光器焊接鋁合金IT構件時,焊縫平滑美觀,不易産生飛濺、煙塵等,不需要進行二次清理,減少了生産工序。

 (4)光纖激光器的分段縫焊工藝在焊接強度、整體外觀、生産效率等方面均優于脈沖激光器的點焊工藝,并且在變形量與脈沖激光器相當,完全可以取代普通脈沖激光器在鋁合金IT構件産品上的應用,具有較高的應用價值。

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