激光焊接工藝的研究重點(diǎn)主要是工藝流程的優(yōu)化及加工質(zhì)量的改善。我們將闡釋具有不同參數(shù)的多光束激光加工在車身釬焊、硅鋁合金鍍層不銹鋼板焊接以及聚合物與金屬材料焊接的應(yīng)用。
本文將著重介紹3種多光束激光加工應(yīng)用
首先,我們介紹三光點(diǎn)釬焊如何利用整體配合的光束對(duì)高強(qiáng)度的汽車材料焊接且外形美觀
接下來,高強(qiáng)鋼兩步焊接中激光清潔使激光焊接獲得良好的強(qiáng)度和一致性
最后,我們將了解激光金屬表面織構(gòu)如何使高強(qiáng)度高密封性的聚合物與金屬焊接在一起。這些意味著具有不同芯徑、脈寬甚至是波長的多條光束相互配合可獲得前有未有的加工效率。
三光點(diǎn)釬焊
激光器的特性對(duì)于汽車行業(yè)很重要,是因?yàn)榧す夂附荧@得了更高的焊接強(qiáng)度而用的焊料最少,同時(shí)提高了安全性并更為經(jīng)濟(jì)。這主要是由于其焊接強(qiáng)度高、材料使用少,同時(shí)還提高安全性,使燃料減少。當(dāng)激光焊接普遍用于汽車生產(chǎn)制造時(shí),人們更傾向于用更為美觀的工藝來滿足沿車頂和汽車內(nèi)部可見焊縫部位的生產(chǎn)需要。
與普通焊接相比,釬焊是一種無需熔化基材而進(jìn)行焊接的工藝。對(duì)于汽車應(yīng)用而言,激光能量熔化焊絲將2個(gè)鋼或者鋁合金表面無縫焊接在一起。汽車廠商需要在噴漆前進(jìn)行簡(jiǎn)單清理以實(shí)現(xiàn)真正無縫焊接的釬焊工藝。
電鍍低碳鋼釬焊的研究重點(diǎn)是焊接質(zhì)量及焊縫外觀。特別是留在鍍鋅層上的氧化物和污染物,它們是造成飛濺和邊緣粗糙的主要原因。對(duì)該領(lǐng)域的研究催生出一種新的三光點(diǎn)釬焊系統(tǒng),沿鋼板邊緣的兩個(gè)引導(dǎo)光束,用于清理污染物并預(yù)熱鍍鋅層以改善浸潤。緊隨其后的主光束則提供能量熔化Cu/Si釬料,將剛剛清理過邊緣表面的兩個(gè)鋼板無縫焊接,如圖1所示。
圖1 三光點(diǎn)釬焊示意圖。2個(gè)紅色德引導(dǎo)光束清理并預(yù)熱鋼板邊緣表面以改善浸潤。緊隨其后的主光束則提供能量熔化Cu/Si釬料,將剛剛清理過邊緣表面的兩個(gè)鋼板無縫焊接。噴漆后,這些焊縫肉眼不可見。
三光點(diǎn)釬焊系統(tǒng)依賴于圖2所示的光纖技術(shù)的靈活性。將光纖激光器與3根芯徑不同的光纖耦合,通過1根光纜傳輸。在靠近工件的地方,傳輸光纖會(huì)按設(shè)計(jì)產(chǎn)生3光點(diǎn)光斑,使光斑較小的引導(dǎo)光束在主光束完成無飛濺的釬焊之前進(jìn)行預(yù)清理。
圖2 三纖芯三光點(diǎn)釬焊光路。特別設(shè)計(jì)的光路使具有不同芯徑的光纖通過一根操作光纖進(jìn)行傳輸,在釬焊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同尺寸的光斑。為了更直觀地評(píng)估三光點(diǎn)釬焊的優(yōu)勢(shì),我們用1.6 mm的CuSi3合金焊絲、3.5 kW的光纖激光釬焊主光束,以4.5 m/min的速度對(duì)厚度為0.8 mm的熱浸鋼板樣件進(jìn)行釬焊。在采用350 W引導(dǎo)光束在釬焊前對(duì)材料進(jìn)行預(yù)清理以后,更好的邊緣一致性和表面光潔度明顯可見(如圖3)。
圖3 單光點(diǎn)及三光點(diǎn)釬焊的對(duì)比。單光點(diǎn)(a)和三光點(diǎn)(b) 釬焊均使用Cu/Si釬料進(jìn)行釬焊。表面光潔度的改善和邊緣粗糙度的降低在三光點(diǎn)釬焊中很明顯。通過橫截面(c)可以看到三光點(diǎn)釬焊的一致性及焊接質(zhì)量。三光點(diǎn)釬焊在1道工序中將焊前清理和釬焊相結(jié)合,大大降低了噴漆前對(duì)釬焊后道工序的要求。三光點(diǎn)釬焊完全可以在平面或者曲面上高速自動(dòng)化地獲得卓越的焊接強(qiáng)度和可重復(fù)性。汽車廠商逐漸采用他們更青睞的三光點(diǎn)釬焊用于對(duì)外觀有更高要求的鋼板焊接,以獲得最高的效率和最好的外觀。
高強(qiáng)鋼的兩步激光焊接
汽車廠商一直在尋求能生產(chǎn)更安全、更高效汽車的新型材料及焊接工藝。強(qiáng)度特別高的含硼高強(qiáng)鋼(HSS)因此進(jìn)入了汽車創(chuàng)新的范疇,在北美使用的汽車救生工具“救生顎”甚至因此對(duì)救生工具的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新界定。假設(shè)焊接技術(shù)無需變化,更高的強(qiáng)度意味著可以使用更少的材料減少車體的重量。在焊接高強(qiáng)鋼時(shí),汽車廠商更傾向于激光焊接工藝。但早期嘗試使用激光焊接卻因?yàn)闊岢尚凸ば蛑惺褂肁lSi保護(hù)涂層問題受阻。因?yàn)橛眉す夂附覣lSi涂層高強(qiáng)鋼時(shí)可能導(dǎo)致內(nèi)部鐵鋁金屬層脆裂。
無需再顧慮鐵鋁金屬層脆裂問題,焊接區(qū)域的防腐涂層被清理以后會(huì)顯著提高高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量。圖4表示的是用一臺(tái)1 kW、脈寬為70ns的脈沖光纖激光器完整地清理AlSi涂層。激光器通過新型的方形操作光纖提供了高達(dá)100 mJ的脈沖能量( 每mm2 的功率密度為7-10 J/cm2),以既精確又經(jīng)濟(jì)的10 m/min的速度,清理厚度為30 μm的AlSi涂層。然后再用近紅外的千瓦級(jí)連續(xù)(CW)光纖激光器完成焊接工序,使高強(qiáng)度、輕量化的拼焊板可以供應(yīng)給汽車制造行業(yè)。
圖4 高強(qiáng)鋼焊接時(shí)的AlSi涂層清理。具有高脈沖能量的光纖激光技術(shù)通過一根新型的方形光纖傳輸,高效清理AlSi涂層,獲得鋼材本體表面以強(qiáng)化焊接質(zhì)量
與采用2種具有不同芯徑的連續(xù)激光束的三光點(diǎn)釬焊不同,HSS 兩步焊接法先用高脈沖能量納秒級(jí)激光器激光燒蝕清理,然后再用高功率連續(xù)激光器焊接。我們接下來介紹的應(yīng)用實(shí)例也是用兩步操作,但是我們將其拓展至亞納秒級(jí)領(lǐng)域并采用了兩種不同波長的激光器。
聚合物與金屬的焊接
焊接需要將兩邊基材在焊縫附近的區(qū)域熔化,這樣才能將兩者穩(wěn)定的焊接在一起。焊接在金屬與金屬、聚合物與聚合物之間用用的最為廣泛。由于聚合物與金屬的熔點(diǎn)極為不同,兩種材料之間進(jìn)行焊接不太可能。尋找聚合物與金屬之間的焊接方法依然是從消費(fèi)電子到醫(yī)療設(shè)備等許許多多的行業(yè)探索的熱門工藝。近期使用光纖激光技術(shù)兩步工藝為該問題提供了解決方案,極具發(fā)展前景。
第一步,用一臺(tái)平均功率30 W、峰值功率400 kW的近紅外光纖激光器, 脈寬150 ps,進(jìn)行金屬表面織構(gòu)(如圖5a)。微觀研究顯示,激光照射熔化出納米級(jí)的表層,迅速形成精細(xì)的大表面積適合后道焊接工序的結(jié)狀結(jié)構(gòu)。這些織構(gòu)表面的重要之處在于他們可以形成于黑色金屬,甚至是銅等高反金屬(如圖5b)。資深的焊工知道,均勻的深色表面的工藝空間最大,因?yàn)榉瓷渎实淖兓瘯?huì)影響激光器在高反金屬上的能量閾值。
圖5 通過亞納秒光纖激光器進(jìn)行銅表面織構(gòu)。(a)使用亞納秒近紅外光纖激光器獲得的具有精結(jié)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)例(放大10,000倍)。(b)經(jīng)過織構(gòu)以后的銅表面變?yōu)橥昝赖暮谏?,使其成為后序激光加工的理想吸收體。
聚合物與金屬材料的焊接使用波長為1.9 µm的摻銩連續(xù)光纖激光器。中紅外波長遠(yuǎn)比近紅外或直接二極管激光更容易被普通的透明聚合物吸收。傳統(tǒng)的1 µm激光器光束穿過聚合物,只能加熱到金屬表面,在聚合物內(nèi)部傳導(dǎo)熱量,最終將其熔化到金屬上,焊接強(qiáng)度很差。
我們發(fā)現(xiàn),先進(jìn)行表面織構(gòu)并使金屬表面變暗,然后用1.9 μm光纖激光器的熱量能夠顯著改善聚合物與金屬的焊接強(qiáng)度。更長的波長可以直接對(duì)聚合物及從聚合物到金屬表面?zhèn)鬏敓崃?。聚合物的直接?dǎo)熱與深色結(jié)狀金屬表面結(jié)合提供了理想的焊接條件。我們進(jìn)行了聚合物與鈦的焊接,密封性好,焊接強(qiáng)度高,在受到剪切力時(shí)才在聚合物層失效。
相比之下,省略了表面織構(gòu)這一步驟的話,剪切力測(cè)試在聚合物到金屬表面時(shí)就已失效,證明該情況下焊接的強(qiáng)度沒有先采用表面織構(gòu)再焊接的強(qiáng)度高。聚合物到金屬的堅(jiān)固又密封的焊接開拓了更大的設(shè)計(jì)與制造空間,已經(jīng)引起從醫(yī)療設(shè)備到消費(fèi)電子與低成本消費(fèi)品等許許多多領(lǐng)域客戶的興趣。
結(jié) 論
一種激光器或許已經(jīng)很好,但兩種或更多種激光器一起使用可能會(huì)有更好的效果。不同的光斑尺寸、脈寬甚至是波長的激光器可以在一種工藝中實(shí)現(xiàn)其中的任何一種激光器都無法達(dá)到的超級(jí)性能。多光束材料加工已經(jīng)被迅速應(yīng)用于汽車制造,但我們相信,這僅僅是個(gè)開始,這種趨勢(shì)勢(shì)不可擋。
作者:Toby Strite, Andreas Gusenko, Michael Grupp & Tony Hoult, IPG Photonics
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