專利名稱：鍍層厚度小于10μm的薄金屬工件的激光焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高新制造工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鍍層厚度小于10 μ m的薄金屬工件的激光焊接方法。
背景技術(shù)：
在精密器械制造、電子儀器、電子通訊、以及醫(yī)療器械、金屬件人體植入等領(lǐng)域，為提高制件的功能、性能、可靠性，近年來(lái)使用有金屬鍍層的金屬制件，并要求在其上精密熔化焊接另一金屬件的情況越來(lái)越多。例如在不銹鋼件的表面有金屬鍍層(如鍍鎳、鍍銅等鍍層)，而后要求在其上密焊接其它裝配件。以往不得不用鉚接與釬焊相結(jié)合的工藝方法，在工藝上造成一定的麻煩。近年來(lái)隨著激光精密焊接技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展，期望能用激光焊接方法解決這一技術(shù)問(wèn)題。按常規(guī)方法，為保證焊接質(zhì)量，特別是保證焊接接頭的強(qiáng)度，通常要先行將局部鍍層去掉，再將待焊接的工件與工件基體間實(shí)現(xiàn)激光精密熔化焊接，得到工件間的冶金結(jié)合，確保焊接結(jié)點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。但是在電子儀器或電子通訊設(shè)備上使用的鍍層工件，表面鍍層厚度通常在5-20 μ m,工件基體的厚度在0.3mm-2.0mm。這種薄的金屬件用常規(guī)焊接方法焊接時(shí)容易發(fā)生變形。為保證焊接時(shí)不發(fā)生明顯的變形，要用高能量密度較低功率的脈沖激光束來(lái)進(jìn)行焊接，以保證有極小的熱影響區(qū)，最小的變形。但低功率焊接往往有較小的熔深，在有鍍層存在的情況下只能實(shí)現(xiàn)鍍層間的焊接，與基體的結(jié)合強(qiáng)度很低，達(dá)不到焊接接點(diǎn)的強(qiáng)度要求。為實(shí)現(xiàn)基體間的熔化焊接，要先用機(jī)械的或化學(xué)的方法，將焊接處的鍍層去掉，再進(jìn)行焊接。若用較大的功率，雖能獲得較深的熔深，但是焊點(diǎn)處的鍍層熔化同時(shí)基體也會(huì)發(fā)生部分熔化，雖然工件間能實(shí)現(xiàn)基體間的熔合的焊點(diǎn)強(qiáng)度高，但因功率較大，熱影響區(qū)較大，導(dǎo)致如0.3mm-0.5mm厚的薄金屬工件發(fā)生變形，不能有效保證工件質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中也很受制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種能將局部鍍層去掉并同時(shí)實(shí)現(xiàn)基體金屬間的熔化焊接的激光焊接方法。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:—種鍍層厚度小于10 μ m的薄金屬工件的激光焊接方法，首先將待焊接的部件定位然后調(diào)整光泵輸出一個(gè)激光脈沖，所述的激光脈沖在初始時(shí)功率快速上升至峰值然后保持預(yù)定時(shí)段以對(duì)焊接區(qū)域局部加熱并將該區(qū)域的鍍層燒蝕，然后激光脈沖的功率快速下降至設(shè)定焊接功率并保持設(shè)定時(shí)段以對(duì)金屬基體進(jìn)行熔化焊接，最后將激光脈沖的功率下降至零完成激光焊接。所述的功率快速上升的上升速率等于或高于lkW/ms。所述的快速下降的下降速率等于或高于0.5kW/ms。
所述的激光脈沖的峰值工作功率為Pp，峰寬為tp，設(shè)定焊接功率段的工作功率為Pw,峰寬為tw,其中，Pp*tp=Ec',tp在l-5ms,設(shè)定值段的焊接功率Pw=b*Pp, tw=d*Tp,系數(shù)b=0.1-0.7，系數(shù) d=l.5-10。所述的Ec'=k*h*Ec,其中，Ec為燒蝕鍍層所需的理論能量，k為與激光物理特性、激光與材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素有關(guān)的系數(shù)，h為與材料熱物理特性、工件形狀幾何參數(shù)以及工件與鍍層厚度相關(guān)的修正系數(shù)，對(duì)于基體厚度小于1_，鍍層厚度小于10 μ m的薄金屬工件，k值在10-30，h值在4.4-20.0。所述的薄金屬工件的基體為不銹鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼。所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面鍍鎳層，所述的k在15-30，h在8-20。所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面鍍銅層，所述的k在10-25，h在10-20。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)激光設(shè)備的調(diào)試對(duì)脈沖激光波形進(jìn)行調(diào)控，無(wú)需先用其它方法將局部鍍層去掉再進(jìn)行焊接，而是以設(shè)計(jì)的波形的脈沖激光實(shí)現(xiàn)將待焊區(qū)域局部鍍層燒蝕、并實(shí)現(xiàn)基體金屬間的熔化焊接，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，保證焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，同時(shí)焊接效率高，一次調(diào)整輸出即可完成鍍層燒蝕和焊接連接同步完成，能有效保證焊接質(zhì)量的一致性，有利于工業(yè)
化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的激光脈沖波形圖；圖2本發(fā)明實(shí)施例的激光脈沖波形；圖3為本發(fā)明實(shí)施例焊接件焊點(diǎn)排列分布圖；圖4為裝配焊前不銹鋼件截面的形貌；圖5為焊接后焊點(diǎn)截面的形貌。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明是鍍層厚度小于10 μ m的薄金屬工件的激光焊接方法，首先確定待焊接部位并確定實(shí)現(xiàn)鍍層燒蝕和基體間熔化焊接所需的能量，然后調(diào)整光泵使激光光器輸出一個(gè)前峰后平波形的激光脈沖，如圖1所示，所述的激光脈沖在初始時(shí)功率由零快速上升至峰值并在峰值保持預(yù)定時(shí)段以對(duì)焊接區(qū)域局部加熱并將該區(qū)域的鍍層燒蝕，然后激光脈沖的功率快速下降至設(shè)定焊接功率值并在該設(shè)定值保持設(shè)定時(shí)段以對(duì)金屬基體進(jìn)行熔化焊接，最后激光脈沖功率下降至零完成焊接。所述的激光脈沖波形的峰值工作功率為Pp，峰寬為tp，設(shè)定值段的焊接功率為Pw，峰寬為tw，其中，所述的激光脈沖的初始快速上升段時(shí)間為tpl，應(yīng)保證上升速率等于或高于lkW/ms，從功率Pp快速下降到設(shè)定焊接功率值的時(shí)間為tp2，功率快速下降速度等于或高于0.5kW/ms，功率從設(shè)定焊接功率值下降至零沒(méi)有特殊限制，以從峰值下降至設(shè)定焊接功率快速下降段速率的一半為宜。Pp*tp=Ec'=k*h*EC，EC'為燒蝕焊接部位鍍層所實(shí)際需要激光提供的能量，Ec為燒蝕該部位鍍層所需的理論能量，k為與激光物理特性、激光與材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素并考慮凝聚態(tài)固體熱蒸發(fā)的動(dòng)力學(xué)而確定，h為修正系數(shù)，即為其與工件基體的材質(zhì)和熱物理特性、凝聚態(tài)固體熱蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)、工件形狀幾何參數(shù)以及工件與鍍層厚度相關(guān)的修正系數(shù)，工件厚度小于Imm時(shí)，k值在10-30，h值在4.4-20.0，tp值在l-5ms。即利用一個(gè)激光脈沖實(shí)現(xiàn)先激光燒蝕后激光焊接，其中激光燒蝕(laser Ablation)是以激光束輻射從固體表面去除材料的工藝。具體來(lái)說(shuō)，首先根據(jù)鍍層工件鍍層的形狀、厚度及其在激光光斑下的面積，確定需要燒蝕的鍍層金屬的體積Vc，然后根據(jù)Vc及鍍層材料的特性計(jì)算出這一定量的鍍層金屬燒蝕蒸發(fā)所需的能量Ec，然后結(jié)合參數(shù)k和h的選擇，確定為實(shí)現(xiàn)激光燒蝕所需的能量k*h*Ec,最后依據(jù)k*h*Ec設(shè)計(jì)脈沖波形的前半部分功率Pp，根據(jù)Pp*tp設(shè)計(jì)確定給定激光器光泵的工藝參數(shù)。對(duì)于以氙燈作為激光激發(fā)光源的Nd = YAG固體激光器，即為確定氙燈的工作參數(shù)。具體地說(shuō)，當(dāng)常規(guī)薄金屬工件厚度小于Imm時(shí)，k值在10-30, h值在4.4-20.0, tp值在l-5ms，具體值的數(shù)值的選擇需要視工況進(jìn)行具體調(diào)整，在此不再贅述。優(yōu)選地，當(dāng)所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面鍍鎳層時(shí)，工件厚度小于1mm，鍍層厚度小于10 μ m，所述的k值在15-30，h值在8-20。優(yōu)選地，所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面銅鍍層，工件厚度小于1mm，鍍層厚度小于10 μ m，所述的k值在10-25，h值在10-20。利用激光脈沖的前半部分燒蝕掉鍍層后再進(jìn)行金屬基體間的熔化焊接，這一段可用相對(duì)較低的功率，當(dāng)薄金屬工件的基體材料為鋼材時(shí)，所述的平段焊接功率Pw=b*Pp，tw=d*Tp，Pw為激光脈沖的焊接工作功率，tw為激光脈沖焊接工作時(shí)寬，其中系數(shù)b=0.1-0.7，系數(shù) d=l.5-10。綜上所述，通過(guò)上述計(jì)算，可得出脈沖激光焊單個(gè)脈沖的波形，首先功率快速上升至峰值，以保證較小區(qū)域的局部加熱鍍層燒蝕，然后功率降至某一值保持一定時(shí)段，完成金屬基體間的熔化焊接。以一個(gè)IT業(yè)的工件焊接為例:其中基體為厚度0.3mm的304不銹鋼件，表面有3 μ m厚的鍍鎳層，需在其上裝配焊接M0.8外徑1.8mm的螺母。參考上述方法中和實(shí)際工況計(jì)算得出Pb=800w, Pw=400w,其中，tp=l.4ms, tw=3.2ms,快速上升時(shí)間0.3ms,上升速率2.7kw/ms,快速下降時(shí)間0.3ms,下降速率為1.3kw/mSo按圖2所示波形調(diào)節(jié)參數(shù)后將不銹鋼件與螺母接觸定位，然后按程序?qū)︻A(yù)定焊點(diǎn)進(jìn)行激光燒蝕和焊接，圖3給出焊點(diǎn)分布排列。圖4給出不銹鋼件的截面可看到鍍層情況，圖5給出焊點(diǎn)截面，看到實(shí)現(xiàn)螺母基體與鍍層不銹鋼薄板件基體間的激光熔化焊接，鍍層被燒蝕去掉不再存在，基體與螺母熔化焊接，同時(shí)測(cè)試表明以圖2波形的激光脈沖焊接的焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度高于300N，滿足使用要求，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鍍層厚度小于 ο μ m的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，首先將待焊接的部件定位然后調(diào)整光泵輸出一個(gè)激光脈沖，所述的激光脈沖在初始時(shí)功率快速上升至峰值然后保持預(yù)定時(shí)段以對(duì)焊接區(qū)域局部加熱并將該區(qū)域的鍍層燒蝕，然后激光脈沖的功率快速下降至設(shè)定焊接功率并保持設(shè)定時(shí)段以對(duì)金屬基體進(jìn)行熔化焊接，最后將激光脈沖的功率下降至零完成激光焊接。
2.如權(quán)利要求1所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的功率快速上升的上升速率等于或高于lkW/ms。
3.如權(quán)利要求1或2所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的快速下降的下降速率等于或高于0.5kW/ms。
4.如權(quán)利要求3所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的激光脈沖的峰值工作功率為Pp，峰寬為tp，設(shè)定焊接功率段的工作功率為Pw，峰寬為tw，其中，Pp*tp=Ec', tp 在 l-5ms,設(shè)定值段的焊接功率 Pw=b*Pp, tw=d*Tp,系數(shù) b=0.1-0.7,系數(shù)d=l.5-10。
5.如權(quán)利要求4所述的薄金屬工件的激光焊接方法,其特征在于，所述的Ec'=k*h*Ec,其中，Ec為燒蝕鍍層所需的理論能量，k為與激光物理特性、激光與材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素有關(guān)的系數(shù)，h為與材料熱物理特性、工件形狀幾何參數(shù)以及工件與鍍層厚度相關(guān)的修正系數(shù)，對(duì)于基體厚度小于1mm，鍍層厚度小于10 μ m的薄金屬工件，k 值在 10-30，h 值在 4.4-20.0。
6.如權(quán)利要求5所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金屬工件的基體為不銹鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼。
7.如權(quán)利要求5所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面鍍鎳層，所述的k在15-30，h在8-20。
8.如權(quán)利要求5所述的薄金屬工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金屬工件為鎳鉻不銹鋼表面鍍銅層，所述的k在10-25，h在10-20。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鍍層厚度小于10μm的薄金屬工件的激光焊接方法，首先將待焊接的部件定位然后調(diào)整光泵輸出一個(gè)激光脈沖，所述的激光脈沖在初始時(shí)功率快速上升至峰值然后保持預(yù)定時(shí)段以對(duì)焊接區(qū)域局部加熱并將該區(qū)域的鍍層燒蝕，然后激光脈沖的功率快速下降至設(shè)定焊接功率并保持設(shè)定時(shí)段以對(duì)金屬基體進(jìn)行熔化焊接，最后將激光脈沖的功率下降至零完成激光焊接。本發(fā)明通過(guò)激光設(shè)備的調(diào)試對(duì)脈沖激光波形進(jìn)行調(diào)控，無(wú)需先用其它方法將局部鍍層去掉再進(jìn)行焊接，而是以設(shè)計(jì)的波形的脈沖激光實(shí)現(xiàn)將待焊區(qū)域局部鍍層燒蝕、并實(shí)現(xiàn)基體金屬間的熔化焊接，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，保證焊接點(diǎn)的強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B23K26/20GK103071924SQ20131004644
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者孫家樞, 王克會(huì), 鄭永霞 申請(qǐng)人:天津?yàn)I海雷克斯激光科技發(fā)展有限公司