一、模具焊機在行業內的應用及特點

     首先要了解模具缺陷的產生基本上是鑄造過程中出現的沙眼、氣孔；材料加工硬化和表面殘余應力影響零件疲勞強度導致的裂痕；機加工過程中的失誤導致的邊、角缺損,劃痕等幾類因素造成。激光相對傳統模具焊接的優勢大致和應用在其他行業的優勢類似，熱影響小，加工件不易變形，準確度高，氬氣保護后氧化率低，工件不變色，在修補模具小面積裂痕、崩角、飛邊、復雜角度的沙孔等部位比傳統的氬弧焊優勢明顯。氬弧焊由于焊接熱影響大這個先天的缺點導致幾乎不能焊接以上特點的缺陷，這方面激光是不可替代的。

     但是由于機器相對氬弧焊的不靈活性，一些大型的模具并不適合激光焊，激光更多的用在修補大型模具的零部件和些手機、塑膠模具及類似其大小和精度的模具。往往一個很小的邊角缺損以前要報廢的用激光修補后可正常使用，幾個焊點可挽回幾萬甚至十幾萬的損失。所以這也決定了模具修補行業低投入高回報的特點。

     二、模具焊機的方案制訂過程

     據電子經理人報道，在經過市場調研了解到模具補焊的行業前景后,我們提出了制造模具焊機的方案,基本思路是在原點焊機的基礎上改型.其中幾個重點部分是:為了能適應高強度,高硬度材料的補焊,要大幅度的提高激光能量;由于有些體積較大的模具,激光腔體要做成懸臂式;為了保證焊點的連續性和均勻性要增加放置模具的二維工作臺,而不是以前點焊機的基本用手的定位方式。

     三、激光焊接的分類及原理

     根據激光對工件的作用方式或激光束的輸出方式的不同,可以把激光焊分為脈沖激光焊和連續激光焊，前者形成一個個圓形焊點，后者形成一條連續的焊縫.脈沖焊接時輸入到工件上的能量是斷續的，脈沖的。脈沖激光焊中大量使用的脈沖激光器主要是YAG激光器。YAG激光器使用的重復頻率寬。還可以將連續輸出的YAG激光器和CO2激光器通過打開或者關閉裝在激光器上面的光閘來用于脈沖焊接。

     若根據激光焊時焊縫的形成特點又可把激光焊分為熱傳導焊和深熔焊（小孔激光焊）。模具焊接屬于脈沖激光焊中的熱傳導焊，其原理是當激光功率密度小于105W/cm2時，激光將金屬表面溫度升高而熔化，從微觀上來講，激光吸入金屬材料的深度只限于表面下的10-5cm，光子的能量主要被導電電子所吸收，電子在10-11~10-10S內將能量傳給晶格，在時間大于10-9S以后便可以認為電子氣溫度相等了，從而建立起金屬表面的總溫度T的概念。所以激光對金屬的加熱可以看作是一種表面熱源，在表面層光能變為熱能，向金屬深處傳播遵循一般的熱傳導規律，其然后通過熱傳導方式把熱能傳向金屬內部，使熔化區域逐漸擴大，凝固后形成焊點，熔深輪廓近似為半球形，其特點是使用激光光斑功率密度小，很大一部分光被金屬表面所反射，光的吸收率較低，溶池形成時間長，且熔深淺，多用于小型零件的焊接。

     當能量一定的激光照射到材料表面時，部分能量被反射，部分能量被吸收，對于透明材料就還有部分能量被透射。對于金屬材料而言透射率為零，加上照射的總能量不變，所以如果材料的反射率增加就會降低吸收率，反之也成立。

     我們在用激光打標或焊接樣品時，經常碰到Au,Cu或亮度很高的不銹鋼等材料，這類材料是自身的反射率高于其它材料或者表面粗糙度很小造成的高反射率。高的反射率決定了相對較低的吸收率，所以通常我們加大激光能量來達到要求的效果。當然還有其它的解決方法就是如果是材料自身的反射率高可以用更小波長如532nm的脈沖激光焊接銅等高反材料，因為金屬材料的反射系數及所吸收的光能取決于激光輻射的波長，激光器輻射波長越短,金屬的反射系數就越小,所吸收的光能就越多，這個應用在國外很常見，這也是激光焊接發展的一個趨勢。如果是鋼鐵材料表面粗糙度導致的高反射率,對紅外波長的激光反射率也很高,給激光加工帶來不利的一面,但鋼鐵工件表面經黑化處理后,提高它的吸收率，能吸收80%以上的激光功率。

     四、激光焊接的工藝參數調整
     脈沖能量
     脈沖能量反映在我們點焊機上的參數就是調整電壓,它決定了加熱能量的大小,主要影響金屬的熔化,當能量增大時,焊點的熔深和直徑增加,還有些平時我們忽略的問題,大的電壓相對大脈寬而言焊點的組織結構更致密,很多地方我們要借鑒這個規律(例如焊PT料的首飾的經驗參數是電壓400V,脈寬2MS,如果在保證輸出總能量不變的基礎上調小電壓增加脈寬,就會發現經過打磨拋光后有時有氣孔,照原理來講氣孔大部分是熔深不夠造成,而且脈寬對熔深的影響更大才對,但是更深層的想大脈寬小電壓會導致焊點密度小結構疏松,這正提高了氣孔產生的幾率)

     由于光脈沖能量分布不均勻性,最大熔深總是出現在光束的中心部位,光斑的外圈部分能量相對較弱所以焊點直徑總是小于光斑直徑,在很多精密焊接的時候我們要考慮到可見焊點以外的熱影響區(例如焊鑲寶石的戒指時要設的焊點盡量的小而且離寶石要有一定距離,否則外圈部分能量加上本來就存在的熱影響會破壞寶石的晶體結構;焊模具的薄面和邊角時也要注意,不是把焊點對齊邊角.而是保證熔化焊絲后的焊點離邊角一定的距離)

     脈沖寬度
     脈沖寬度主要影響熔深,當脈沖能量一定時,調節脈沖寬度可以獲得一個最大的熔深,此時為最佳的脈沖寬度.它影響熔深的同時也影響焊料和工件基材的焊接強度,當脈沖寬度增加是脈沖能量也隨之增加,在一定范圍內,焊點熔深和直徑也增加,因而接頭強度隨之也增加,然而當脈沖寬度超過一定的值以后,一方面熱傳導所造成的熱損耗增加;另一方面,強烈的蒸發最終導致了焊點截面積減小,接頭強度下降.大量研究和實驗證明脈沖激光焊接的脈寬的范圍在1~10ms.但是這個參數只是保證了熔深，很多時候對熔深的要求不高，對焊接后熔池的要求比較高。（例如高爾夫球頭的補焊，如果焊接后的熔池下陷就要用比較深的研磨量，這個時候雖然你補焊的地方沒問題了，但是由于鑄造的缺陷導致表層下沒發現的沙孔很有可能被磨出來，反復的補都不定能補好，在反復的研磨過程中球頭的外型已經超過了誤差的范圍，只能報廢。這個問題很多時候能通過增大脈寬來解決）。所以說在能保證熔深的情況下增加脈寬象前面說的能夠減小焊接部分組織的密度，沒被汽化的材料會由于熱效應稍微突出于工件，這樣就能用很小的研磨量不會磨出其它的沙孔。

     脈沖波形
     我們機器上的波形參數，FRONT ，BACK，ALL分別代表了前置波，后置波和前后置都有的波形。從原理上來解釋前置波有利于工件的迅速預熱，可以改善材料的吸收性能，提高能量的利用率，后置波可以起到熔化后保溫的作用，對于某些易產生熱裂紋和冷裂紋的材料有很大幫助。但是我們的電源由于是電壓的控制方式,并沒有脈沖波形的控制,面板上的波形參數是沒作用的.我注意到國內同行的設備和國外的設備上面都有此參數而且針對不同材料有不同波形,所以我認為波形參數在焊接工藝中是很重要的.我們現在的新型電源有這個功能,如何運用進去是我們下階段改進的重點。

     離焦量
     一定的離焦量可以使光斑能量的分布相對均勻，同時也可以獲得合適的功率密度。盡管正負離焦量相等時相應平面上的功率密度相等，然而，兩種情況下所得到的焊點形狀卻不相同。負離焦時小孔內的功率密度比工件表面的高，蒸發更加劇烈，因此，要增大熔深時可以采用負離焦；而焊接薄材料時，則易采用正離焦。由于熔深大時能量輕微的波動并不明顯，所以相對能量比較穩定，也可以理解為在負離焦時焦點不是很敏感，反之正離焦相對負離焦的焦點更敏感些。還有一點是我這段時間自己感受到的區別，沒得到充分驗證的。正離焦的焊點中間凸出邊緣凹陷，負離焦的焊點中間凹陷而邊緣相對正離焦凹陷的較少，象剛才提到的補焊高爾夫球頭增加脈寬的工藝如果采用負離焦應該不用很大的脈寬就能達到效果，這個也能應用到模具的焊接中。

     功率密度
     在脈沖激光焊接中，合理的控制輸入到焊點的功率密度能夠避免焊點金屬的過量蒸發和燒穿，這就是我們所說的飛濺。通過激光斑點上的功率密度公式我們可以很直觀的了解到功率密度可以通過改變脈沖能量，脈沖寬度，光斑直徑和激光模式來實現，這是一個相關性很強的參數，需要所有參數配合調，要一定的經驗積累。

     保護氣體
     在焊接過程中保護氣體起的作用是防止被焊部分氧化從而減小氣孔產生的幾率，抑制激光輻射過程中在熔池上部形成的等離子云的負面效應從而增加熔深。在模具補焊過程中氣嘴一般是逆著工作臺移動的方向，與被焊面呈30度到45度的夾角，吹氣量用手感覺稍微有點氣流即可。但是有時需補焊的位置不能滿足吹氣方向和夾角，這是需相應打大氣流以達到比較好的效果。氣體的種類一般是氦氣,氬氣和氮氣.其保護效果遞減,但是由于氦氣價格非常昂貴,一般不采用,氬氣比氮氣只貴幾十塊,但是能得到比氮氣好的多的效果和熔深,所以我們一般用氬氣做保護氣。

     五、模具焊接的基本知識及技巧

     修補模具小面積裂痕、崩角、飛邊、復雜角度的沙孔.國內模具生產廠家大多用S136、2311、2344、718HH、2767、P20、NAK80、638、MUP、8407、888，H13等進口特殊模具鋼，有些經過高溫淬火，硬度大大高于普通鋼材，而且焊接后有時要用電火花加工，對焊接強度有很高的要求。這樣就要求較高的單脈沖能量，較好的光束質量。選擇合適的焊絲有利于保證焊接后的高強度、高硬度、高穩定性。材料無法對應的焊絲我們往往選擇硬度相近或型號接近的相應材料焊絲修補，也可取得不錯的效果。在焊接參數上采用高脈寬低頻率，有利于焊接后的牢固性和焊接時的精確度。以下是焊絲所對應材料及其硬度的資料,粗體部分是比較常用的焊絲。

     模具行業的焊接工藝我們首先要了解模具的材料及焊接后的加工要求。其用的高強度高硬度材料決定了用很高的能量參數才能達到焊接后的要求，并且它的高精度要求除焊接外的表面不能有加工量，比方說一個邊的兩個面加工精度為兩個絲，但它只缺了邊的一小塊，加焊絲后要焊接面特別是焊接面的邊緣要高于未焊接的平面，一般正常參數的焊接在焊點的周圍會有融池下陷，用大于十的脈寬可以解決這個問題。電壓的調整以能完全熔化相應直徑的焊絲為標準。頻率用的基本比較低，是為了達到比較精準的焊接。離焦量在保證光斑大于焊絲直徑的基礎上盡量的小，也是為了使焊接精準，并且頻率高后單脈沖能量下降很多，達不到焊接的能量要求。

     焊接的種類主要是邊，角的缺損和深槽內的缺陷。這些從焊接難度上來講都是遞增的。焊邊一般是把邊頂在最上，就是保證兩個邊的面和工作臺成四十五度角，確定邊平行于工作臺的X或Y軸平行后，焊的同時用拿焊絲以外的手移動工作臺，以邊焊到高于兩個面為標準，如果很小的缺損放成四十五度焊一次即可，若缺損大就需要把兩個面分別放水平再加焊絲，最后要仔細的觀察焊接邊的兩個角是否有凹陷，因為邊的最兩邊的兩個焊點會讓最兩邊有所凹陷，一般是無法避免的，這時需要用更細的焊絲（直徑0.2MM）以下。用小能量小光斑修補，最終能達到理想的效果；焊角就相當于焊三個邊，有時是單純的角缺一個尖可以用細焊絲直接焊一點，這種焊接對角的熱影響相對補邊時較小，可以不用單獨再用低能量補角，在焊好研磨后如果出現焊點邊緣凹陷的情況,有三個方法可以解決,如果焊絲大于0.3MM可以把脈寬打到十幾毫秒,這時整個焊點會有突起的效果,減小凹陷;用0.2MM以下的焊絲就可適當降低脈寬，此時的熱影響比大脈寬時小很多,凹陷的情況也得到很大的改善,而且能得到比較光滑的焊點;采用負離焦的方式也有所改善,負離焦的光斑相對正離焦光斑對邊緣的影響小點,這時也可采用比較小的脈寬焊接,不過這種方式的脈寬應該是大于細焊絲小于粗焊絲正離焦時的脈寬。

     焊接前要用專用模具清洗液把需修補部分清洗干凈,否則可能會在研磨后出現沙孔或因油漬蒸發導致的顏色偏暗,組織疏松.氣嘴要在不影響加焊條和工作臺移動的基礎上盡量的貼近被焊部分并且與工作臺移動方向相反.焊接時要保證夾具的緊固和工作臺的穩定,勻速的移動工作臺,速度太小會降低效率而速度太大了點的間隙大了容易出現氣孔,如果加大頻率,此時的單脈沖能量又達不到要求,所以這個要做很合理的取舍。

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2014-0904