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微細(xì)金屬絲的激光點(diǎn)焊技術(shù)
2017-10-13 閱讀(196)
一、預(yù)置粉末激光點(diǎn)焊原理
將金屬粉末以一定厚度置于基體與焊絲上面,當(dāng)激光作為表面熱源對(duì)粉末層加熱時(shí),粉末層可以防止激光直接作用于焊絲造成的斷絲,同時(shí)在激光作用下開(kāi)始熔化,由于粉末層中存在大量空隙,故其導(dǎo)熱系數(shù)很低,只有在粉末層*熔化后,激光才能通過(guò)熔化了的合金層加熱基體,使基體表面熔化,*熔化的粉末顆粒在表面張力作用下,逐漸形成類球形的焊點(diǎn),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了金屬粉末、焊絲、基體三者之間的冶金結(jié)合。焊點(diǎn)成形的好壞決定于液相對(duì)固相的潤(rùn)濕性,可以通過(guò)固、液兩相的接觸角θ來(lái)判斷:
其中, 分別表示液相表面張力、固相表面張力、固液界面張力。使液滴沿固相展開(kāi), 使液滴收縮。根據(jù)熱力學(xué)分析,潤(rùn)濕過(guò)程是由粘著功 (潤(rùn)濕過(guò)程系統(tǒng)的單位自由能降低值)決定的,可用下式表示:
當(dāng)>0時(shí),才能產(chǎn)生液相熔燒的動(dòng)力,液相才能潤(rùn)濕固相表面。
越大,潤(rùn)濕性越好。
當(dāng),此時(shí)=0,液相*潤(rùn)濕固相。
當(dāng),此時(shí), <0,不能產(chǎn)生熔燒動(dòng)力,液相不能潤(rùn)濕固相。
當(dāng) ,此時(shí), >0,液相熔燒動(dòng)力促使液相部分潤(rùn)濕固相,隨著θ角的減小, 不斷增大,此時(shí),潤(rùn)濕性也越來(lái)越好。
當(dāng)θ角過(guò)大時(shí),就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的球化現(xiàn)象,此時(shí),粉末、焊絲與基體熔化后的液滴收縮嚴(yán)重,直接造成斷絲。在試驗(yàn)中,通過(guò)改變各種工藝參數(shù)使θ角在0-90度之間盡可能小,提高焊點(diǎn)的潤(rùn)濕性。
二、試驗(yàn)設(shè)備及方法
試驗(yàn)所用激光器為脈沖Nd:YAG固體激光器,zui大脈沖能量為1500mJ,焊絲為9μm鎳絲,塞座為鍍金面單腳座,金屬粉末為NiCrBSi自熔性合金粉末,其中B、Si占比約為8%。
試驗(yàn)主要分兩個(gè)步驟:1.采用正離焦方式,離焦量設(shè)定為0.1mm,脈寬設(shè)置在2-3ms之間,直接在塞座表面預(yù)置粉末層進(jìn)行點(diǎn)焊,能過(guò)調(diào)整脈沖能量,粉末層厚度等工藝參數(shù),得到潤(rùn)濕性好的焊點(diǎn)。2.在塞座表面固定焊絲,再預(yù)置粉末進(jìn)行激光點(diǎn)焊,在*步驟的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化工藝脈沖能量,脈沖寬度等工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)金屬絲與基體的良好焊接。
三、試驗(yàn)結(jié)果及分析
(一)影響焊點(diǎn)成形的因素
1.激光脈沖能量對(duì)焊點(diǎn)成形的影響
為粉末層厚度為0.8mm時(shí),分別用脈沖能量為160mJ、190mJ、210mJ、240mJ的激光脈沖進(jìn)行點(diǎn)焊形成的焊點(diǎn)。
由于脈沖能量過(guò)小,導(dǎo)致粉末層不能熔化或者只有少數(shù)的顆粒熔化后粘在基體表面。表明由于脈沖能量不足,導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的球化現(xiàn)象,且粉末與基體未實(shí)現(xiàn)很好的互熔,所形成的焊點(diǎn)極易脫落。隨著脈沖能量的增大,球化現(xiàn)象有所減輕,焊點(diǎn)也隨之有所增大,粉末與基體實(shí)現(xiàn)互熔,但焊點(diǎn)潤(rùn)濕性差,極易造成斷絲,焊接效果比較好,既實(shí)現(xiàn)了粉末與基體的互熔,又形成了潤(rùn)濕性比較好的焊點(diǎn)。
2.金屬粉末層厚度對(duì)焊點(diǎn)成形的影響
為激光脈沖能量為230mJ時(shí),分別對(duì)厚度為0.4mm、0.6mm、0.8mm
的粉末層進(jìn)行激光點(diǎn)焊得到的焊點(diǎn)。
當(dāng)粉末層過(guò)薄時(shí),激光脈沖作用到粉末時(shí)相對(duì)能量過(guò)大,當(dāng)粉末顆粒熔化到基體上時(shí)伴隨著嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象,在焊接時(shí)必然會(huì)將金屬絲燒斷,當(dāng)粉末層的厚度適中時(shí),既能實(shí)現(xiàn)激光作用時(shí)對(duì)焊絲的保護(hù)作用,又能實(shí)現(xiàn)很好的互熔,且焊點(diǎn)潤(rùn)濕性也比較好。隨著粉末層厚度的增加,作用到粉末層的激光能量相對(duì)減小,開(kāi)始出現(xiàn)球化現(xiàn)象,且有時(shí)焊點(diǎn)上表面出現(xiàn)凹凸不平,這將對(duì)焊接產(chǎn)生不利影響。
(二)工藝參數(shù)優(yōu)化
在形成潤(rùn)濕性良好的焊點(diǎn)之后,將焊絲固定在塞座表面,然后預(yù)置粉末進(jìn)行激光點(diǎn)焊。
所示為能量為230mJ的激光脈沖作用在0.6mm厚的粉末層所形成的焊點(diǎn),由于激光脈沖能量過(guò)大,在焊點(diǎn)周圍出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象,這樣就會(huì)直接造成焊點(diǎn)邊緣斷絲。為能量為280mJ的激光脈沖作用在0.6mm厚的粉末層所形成的焊點(diǎn),從中我們可以看到通過(guò)適當(dāng)減小激光脈沖能量,能夠減輕焊點(diǎn)周圍的熱影響,從而可以降低斷絲率,達(dá)到我們的焊接要求。
另外,我們也可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖寬度來(lái)改變激光與材料的作用時(shí)間來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化焊接結(jié)果。所示為脈寬為3ms,能量為220mJ的激光脈沖作用于0.6mm厚粉末層所得的焊點(diǎn),激光脈沖寬度除了決定熔深以外,還決定了熱影響區(qū)的大小,脈寬過(guò)長(zhǎng),焊點(diǎn)周圍的熱影響就越大,就越容易造成斷絲。為脈寬為2.4ms,能量為220mJ的激光脈沖作用于0.6mm厚粉末層所得的焊點(diǎn),通過(guò)適當(dāng)減小脈寬,可以減少激光與粉末的作用時(shí)間,減小焊點(diǎn)周圍的熱影響,減少了斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。
通過(guò)大量試驗(yàn),我們大致可確定激光脈沖點(diǎn)焊9μm金屬絲時(shí)的焊接參數(shù),其中,激光脈沖能量:230mJ,激光脈沖寬度:2.3ms,金屬粉末層厚度:0.6mm,金屬絲直徑:9μm,離焦量:-0.1mm。
四、結(jié)論
1.影響焊接的因素很多,其中,激光脈沖能量和粉末層厚度是造成焊點(diǎn)球化的主要因素,能過(guò)調(diào)整這兩個(gè)工藝參數(shù)可以得到潤(rùn)濕性比較好的焊點(diǎn)。2.通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù),在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)9μm金屬絲的精細(xì)焊接。
