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精密激光纳米焊接的注意事项

形成纳米结构的焊接接头需要针对激光焊接工艺进行零件优化设计。

文:Guenter Hummelt  Nanoystec公司首席技术官

激光焊接在宏观和微观焊接应用中取得了巨大成功。世界上许多装备的生产每天需要数十亿次的焊接,证明了这项技术的有效性。现在,纳米组装的兴起,对焊接过程中的焊接偏移量提出了更低的要求。在保持激光焊接机械稳定性好和抗外部因素干扰能力强等优点的前提下,需要将激光能量输入导致的变形和热影响进一步降低,控制在微米级别以下。

纳米精度

将蓝光激光与单模光纤进行耦合可以在无功率损失的情况下进行焊接,此时要求焊接工位的偏移量小于0.1 µm(图1)。为太空任务建造一个多通道传感器需要相似的焊接精度,同时还需要增加抗冲击和振动的稳定性以及较准斯特林冷却器,这些都是将焊接偏移最小化与焊缝气密性相结合的有趣例子。一个非常细致的设备开发不仅来自生产系统的供应商,而且来自设备设计师,使这些关键设备的制造工艺保持稳定。

为何变形?

焊接过程中需要输入足够功率密度的激光使金属熔化,形成液态熔池。在随后的冷却过程中,金属体积收缩,导致变形。这种微小的变形会使焊接之前已经校准好相对位置的两个工件出现错位。

图1 光纤耦合蓝光半导体激光焊接可以使垂直于器件轴线方向的焊接偏移量小于0.1µm。套筒法兰和外壳之间采用精密角焊缝使套筒和套圈上的临界熔透焊缝更少。三个焊接光学元件以120o的相对夹角对称分布,产生直径为200µm的焊接光斑,保证均衡输入最小的能量。

激光能量输入

在要求低偏移量的焊接过程中,大多数位移敏感器件保持相对位置比机械稳定性更重要。因此,热传导焊一般更受欢迎,因为其需要更少的激光功率(在500 kW/cm2和1 MW/cm2之间),远远低于深熔焊的比功率(一般在几兆瓦/平方厘米的范围内)。在热传导焊接过程中,激光束穿透材料的深度大约等于其辐照在焊接工件上的光斑直径。

在多数情况下,固态激光器产生波长为1.06 µm激光光束,用于金属材料的焊接(图2)。在激光谐振器中产生的激光功率可通过光学元件分成两个或三个具有均匀功率的激光光束。同步焊接光斑的数量可根据设备的几何结构来选择,从而可以实现激光能量的对称输入。

通常情况下,直径为300 µm,功率小于1 kW的激光焊接光斑在焊接处停留2~3 ms可以得到最佳的焊接效果。对于关键的焊接应用,需要在光束之间调整激光功率,偏差小于1%。

图2 传导焊由于激光输入功率低得多,因此较深熔焊更受青睐。对于对焊接偏移敏感的设备,机械稳定性通常不那么重要。

焊接接头类型

将两个工件焊接到一起可以选择不同的焊接接头形式。不管采用哪种形式,两个焊接表面应形成紧密接触,没有空隙,从而减少所需的焊接能量。

角焊最适合于小偏移量的激光焊接。激光束以45o的入射角辐照在两个工件的接触线上。由于工件间形成90o的夹角,两个工件相对位置的微小偏差对焊接偏移没有影响。在这种焊接接头形式下,较小的工件应无倒角,因为激光束的功率将被两个工件不均匀地吸收。激光束的辐照可以重复实现传导焊接。

穿透焊要求两工件之间完美地接触。工件之间的空气间隙会阻碍熔池的形成,因此,下方部件的熔深将受到负面影响。穿透焊需要更大的激光峰值功率,这会导致更大的焊接偏移量。

对焊不适合低偏移精度的焊接。两个工件的机械公差几乎不可能为每个焊点保持可重复的几何形状。

工件设计

工件的设计应该遵循一些简单的规则。首先,焊接件的材料应该适合激光焊接。大多数低硫低碳的不锈钢、可伐合金、镍都是合适的焊接材料。焊接件应该避免镀金,因为镀金会流入焊接熔池,导致微裂纹的产生,影响焊缝的气密性和机械性能稳定性。

激光束需要无阻碍地到达焊缝位置,焊缝应对称分布。激光束必须始终辐照整个焊接位置的材料,因此必须避免倒角或其他凹槽(图3)。完美平整的焊接表面可避免零件在装备过程中出现翘曲。

图3 有(a)和没有(a)间隙的穿透焊截面微观形貌。工件之间的空气间隙会破坏熔池。此外,材料流入间隙使焊接件发生翘曲。

制造系统设计

用于低偏移精度要求的生产系统提供了待焊接件的稳定可重复性固定。在大多数情况下,在最终装配的激光焊接之前,需要进行分辨率为20 nm的主动对准过程。

为了达到最佳效果,可以使用两个、三个甚至更多的焊接光束。这种结构有助于激光能量的均匀平衡输入。对于圆形工件,三个互成120o角的焊接光束具有最佳的焊接性能。这种几何构造可以获得最小的焊接偏移量。

对于平面工件,两个焊接头就足够了。它们沿设备轴对称分布,其目的是避免工件倾斜。

带有CCD摄像头的焊接光学元件

焊接光学系统将激光束聚焦到200或300 µm的光斑尺寸。很少使用较大的光斑尺寸,因为在要求低焊接偏移量的焊接过程中,若采用大光斑尺寸需要更高的激光输入能量,这对焊接变形的控制是不利的。

焊接头带有共线CCD摄像头,对可见光谱和红外焊接光束的不同焦平面进行校正。在调整过程中,来自摄像头的清晰图像可以显示焊接头被调整到其正确的焦点位置。

此外,投影十字准线将位于焊点位置的中心,以便与激光束完美叠加(图4)。

这样,机器视觉算法就可以在空间中自动、正确地调整焊接光学元件,既可以聚焦,又可以精确地辐照待焊接件之间的边界。

为了保持功率密度恒定,激光焊接应始终在光束的腰部进行,精度为10μm。如果待焊接件上的光束不聚焦,则功率密度会迅速变化,并产生不均匀的熔池。

由于焊接表面的牢固接触是实现低偏移焊接的关键因素之一,因此机器的设计必须符合这一重要因素。

圆顶形空气轴承是一种行之有效的将圆柱形零件调整到最佳平行度的技术。这些部件在与预设力接触的情况下移动,并在其中一个部件漂浮在空气轴承上时进行自我调整。一旦调整了曲面的平行度,角度位置将被确定,并且可以进行主动对齐。或者,通过万向节安装设计调整这两个部分。

在平面设置中,预定的偏移补偿预期的焊接位移。零件的公差越好,可以设置的校正偏移越精确。

图4 带有CCD摄像头和叠加十字准线的焊接光学元件可以精准将焊接点定位在光束焦平面以及焊接件的边界位置。气动轴承焊接过程中精准定位以避免间隙就是该焊接光学元件应用的证明。

修正焊接偏移

如果焊接工件在纳米焊接过程中发生相对位置偏移,则在相反位置进一步施加焊接能量可将零件弯曲回所需位置。在这个过程中,不可避免地使用收缩效应。为了确定校正激光脉冲的正确功率和时间,需要进行仔细的实验,直到找到最佳的参数。这个过程被称为激光诱导微调节(LIMA)。

形成纳米结构的焊接接头需要对激光焊接进行零件优化设计。焊接系统必须考虑零件的具体方面。建议纳米结构的设计者和焊接系统制造商从项目开始就合作,以获得最佳结果。

(Guenter Hummelt联系方式 :guenter.hummelt@nanosystec.com)

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