微细金属丝的激光点焊技术

[摘要]论文采用预置粉末激光点焊技术,将金属粉末覆盖到基体与金属丝上,通过激光加热金属粉末,利用热传导实现粉末,焊丝,基体三者的互熔和冶金结合。使用这种新的焊接方法,实现对9μm金属丝的焊接,并且还减少焊接中的断丝现象,大大提高成品率。

[关键词]激光点焊NiCrBSi粉末

中图分类号:TN2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110042-01

一、预置粉末激光点焊原理

将金属粉末以一定厚度置于基体与焊丝上面,当激光作为表面热源对粉末层加热时,粉末层可以防止激光直接作用于焊丝造成的断丝,同时在激光作用下开始熔化,由于粉末层中存在大量空隙,故其导热系数很低,只有在粉末层完全熔化后,激光才能通过熔化了的合金层加热基体,使基体表面熔化,完全熔化的粉末颗粒在表面张力作用下,逐渐形成类球形的焊点,同时实现了金属粉末、焊丝、基体三者之间的冶金结合。焊点成形的好坏决定于液相对固相的润湿性,可以通过固、液两相的接触角θ来判断:

其中, 分别表示液相表面张力、固相表面张力、固液界面张力。使液滴沿固相展开, 使液滴收缩。根据热力学分析,润湿过程是由粘着功 (润湿过程系统的单位自由能降低值)决定的,可用下式表示:

当>0时,才能产生液相熔烧的动力,液相才能润湿固相表面。

越大,润湿性越好。

当,此时=0,液相完全润湿固相。

当,此时,

当 ,此时, >0,液相熔烧动力促使液相部分润湿固相,随着θ角的减小, 不断增大,此时,润湿性也越来越好。

当θ角过大时,就会出现严重的球化现象,此时,粉末、焊丝与基体熔化后的液滴收缩严重,直接造成断丝。在试验中,通过改变各种工艺参数使θ角在0-90度之间尽可能小,提高焊点的润湿性。

二、试验设备及方法

试验所用激光器为脉冲Nd:YAG固体激光器,最大脉冲能量为1500mJ,焊丝为9μm镍丝,塞座为镀金面单脚座,金属粉末为NiCrBSi自熔性合金粉末,其中B、Si占比约为8%。

试验主要分两个步骤:1.采用正离焦方式,离焦量设定为0.1mm,脉宽设置在2-3ms之间,直接在塞座表面预置粉末层进行点焊,能过调整脉冲能量,粉末层厚度等工艺参数,得到润湿性好的焊点。2.在塞座表面固定焊丝,再预置粉末进行激光点焊,在第一步骤的试验数据基础上,进一步优化工艺脉冲能量,脉冲宽度等工艺参数,实现金属丝与基体的良好焊接。

三、试验结果及分析

(一)影响焊点成形的因素

1.激光脉冲能量对焊点成形的影响

图1为粉末层厚度为0.8mm时,分别用脉冲能量为160mJ、190mJ、210mJ、240mJ的激光脉冲进行点焊形成的焊点。

由于脉冲能量过小,导致粉末层不能熔化或者只有少数的颗粒熔化后粘在基体表面,如图1a所示。图1b表明由于脉冲能量不足,导致出现严重的球化现象,且粉末与基体未实现很好的互熔,所形成的焊点极易脱落。随着脉冲能量的增大,球化现象有所减轻,焊点也随之有所增大,粉末与基体实现互熔,但焊点润湿性差,极易造成断丝,如图1c所示。图1d所示的焊接效果比较好,既实现了粉末与基体的互熔,又形成了润湿性比较好的焊点。

2.金属粉末层厚度对焊点成形的影响

图2为激光脉冲能量为230mJ时,分别对厚度为0.4mm、0.6mm、0.8mm

的粉末层进行激光点焊得到的焊点图。

当粉末层过薄时,激光脉冲作用到粉末时相对能量过大,当粉末颗粒熔化到基体上时伴随着严重的烧蚀现象,在焊接时必然会将金属丝烧断,如图2a所示。当粉末层的厚度适中时,既能实现激光作用时对焊丝的保护作用,又能实现很好的互熔,且焊点润湿性也比较好。如图2b所示。随着粉末层厚度的增加,作用到粉末层的激光能量相对减小,开始出现球化现象,且有时焊点上表面出现凹凸不平,这将对焊接产生不利影响。

(二)工艺参数优化

在形成润湿性良好的焊点之后,将焊丝固定在塞座表面,然后预置粉末进行激光点焊。

图3b所示为能量为230mJ的激光脉冲作用在0.6mm厚的粉末层所形成的焊点,由于激光脉冲能量过大,在焊点周围出现烧蚀现象,这样就会直接造成焊点边缘断丝。图3a所示为能量为280mJ的激光脉冲作用在0.6mm厚的粉末层所形成的焊点,从中我们可以看到通过适当减小激光脉冲能量,能够减轻焊点周围的热影响,从而可以降低断丝率,达到我们的焊接要求。

另外,我们也可以通过调节激光脉冲宽度来改变激光与材料的作用时间来进一步优化焊接结果。如图4a所示为脉宽为3ms,能量为220mJ的激光脉冲作用于0.6mm厚粉末层所得的焊点,激光脉冲宽度除了决定熔深以外,还决定了热影响区的大小,脉宽过长,焊点周围的热影响就越大,就越容易造成断丝。图4b所示为脉宽为2.4ms,能量为220mJ的激光脉冲作用于0.6mm厚粉末层所得的焊点,通过适当减小脉宽,可以减少激光与粉末的作用时间,减小焊点周围的热影响,减少了断丝现象的发生。

通过大量试验,我们大致可确定激光脉冲点焊9μm金属丝时的焊接参数,其中,激光脉冲能量:230mJ,激光脉冲宽度:2.3ms,金属粉末层厚度:0.6mm,金属丝直径:9μm,离焦量:-0.1mm。

四、结论

1.影响焊接的因素很多,其中,激光脉冲能量和粉末层厚度是造成焊点球化的主要因素,能过调整这两个工艺参数可以得到润湿性比较好的焊点。2.通过进一步优化工艺参数,在大量的实验基础上,实现了对9μm金属丝的精细焊接。

参考文献:

[1]陈继民、徐向阳、肖荣诗,激光现代制造技术,国防工业出版社,2007,259-267.

[2]王家金,激光加工技术,中国计量出版社,1992:156-162,335-382.

[3]岳灿甫,金属粉末激光微成形实验研究,北京工业大学硕士学位论文,2005,37-41.

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