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【优秀论文】激光焊接技术在焊环工艺的应用

编者按:2018年10月8日至15日,第四届军民融合发展高技术装备成果展览暨论坛活动在北京成功举办。为配合本次活动,主办方组织开展了“第四届军民融合发展高技术装备成果展览暨论坛”论文征集,共收到论文385篇,经专家组多轮评审,最终遴选出54篇优秀论文。仰山智库将陆续推送优秀论文,以飨读者。

目前焊环工艺采用手工钎焊,由于环本身体积较小,工人需要在显微镜下进行焊接工作,与工件接触距离很近,工作时不免吸入焊烟,长时间在这种环境下进行工作,对工人呼吸道、肺部危害很大;且长时间的使用体视显微镜,也会损伤操作人员的眼睛和脊椎。随着导电滑环产量的逐年递增,低效率的手工钎焊已无法满足生产需求。现需一种具有焊接质量高、焊接效率快的焊接方式来代替手工钎焊,以此来提高生产率。在需找解决问题的途径中,我们了解了激光焊接技术,激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法,是一种新型的焊接工艺,适合尺寸小、薄壁类零件的焊接,其焊接质量满足滑环组件焊接要求。

1  焊环工艺

导电滑环是电气系统中的一种输电装置,也叫集电环、滑环、集流环、汇流环、旋转电接头等。实现了具有相对转动位移结构间的电能量(信号或功率)传输,广泛应用在惯性平台、位标器、精密航空仪表和雷达等领域。我公司研制生产的导电滑环具有结构紧凑、尺寸小、环路多、精度高、可适应多种复杂环境等特点,导电滑环主要由导电环组件、电刷组件、精密轴承、骨架和套筒等五部分组成。焊环工艺是导电滑环生产中很重要的一步工序,由于环体积很小,焊接十分困难。现阶段使用手工钎焊方式,焊环时需要在体视显微镜下进行,任何一个微小的问题都会引发导电滑环产生故障,导致产品报废。焊环工艺要求十分严格,手工钎焊的难度较高,培养一个熟练的操作工需要至少一个月的时间。

2 激光焊接技术

激光焊接是利用激光的辐射能量进行焊接的工艺方法。工作原理是:通过特定的方式来激励激光活性介质(如CO2和其它气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等),使其在谐振腔中往复振动,从而形成受激辐射光束,当光束与工件接触时,工件吸收能量,在温度达到材料熔点时即可进行焊接。激光焊接是一种新型的焊接工艺,适合与尺寸小、薄壁类零件的焊接。

国外发达国家制造业起步比中国较早,上世纪70年代国外已经开始研究激光焊接技术,并将此技术广泛应用于造船工业、汽车工业及航空航天工业等生产当中,而我国激光技术起步较晚,将激光和焊接技术相结合更是从上世纪90年代才开始的,最近几年来,国内激光焊接种类不断增多,不断借鉴国外先进技术提高激光焊接水平,中国的激光焊接技术已经有了飞快的发展,并不断的应用在更多生产领域当中。

了解到这一技术后,又结合目前生产过程中随着产量的逐年递增,滑环组件手工钎焊已无法满足生产需求的问题,我公司开始进行工艺改进,力求解决难题。首先通过互联网了解激光焊接这一领域,然后分析这一技术能否使用在焊环工艺上,通过不断的了解后,使用互联网、电话途径查找激光焊接设备生产厂家,进行联系后,邮寄样品进行焊接试验,通过对比多个厂家,找到焊接的样件焊接质量最好,且满足工艺要求的厂家。首先这个厂家进行试焊,固化焊接参数,到其它激光焊接设备生产厂家也进行试焊,对比焊接质量,找出焊接质量最好的厂家。经过试焊后,拿激光焊接和手工钎焊从多个角度进行对比分析。

3 激光焊接技术与手工钎焊对比

首先对单股线进行激光焊接,经过多次试焊,最终确定设备参数,此参数下焊点小,焊接可靠,对漆皮无明显烧伤,弯折次数可达10次以上,最大承受拉力为7N。激光焊接单股线工件如图3-1所示。

图3-1激光焊接单股线

图3-2 激光焊接多股线

接着对多股线进行激光焊接,经过多次调整设备参数试焊,最终确定设备参数,此参数下焊接可靠,线芯铜丝无熔断现象,弯折次数可达10次以上,最大承受拉力大于7N。激光焊接多股线工件如图3-2所示。

3.1 生产效率

现用滑环组件的焊接均采用手工钎焊,它是利用烙铁加热被焊金属件和锡铅焊料,熔融的焊料润湿已加热的金属表面使其形成合金,待焊料凝固后将被焊金属件连接起来的一种焊接工艺。焊接后需清洗助焊剂,焊接过程要求烙铁加热时间短,时间很难把控。因滑环尺寸小,焊接时需借助体视显微镜来观察,焊接过程要求操作人员眼、手合一,操作要求极高,需长时间练习才能达到。焊接前对导线端部裸露线芯进行搪锡,焊接后使用刀片修整焊点,操作困难,工作效率低。熟练的操作工焊接1件滑环组件需要4min,培养一名熟练操作工至少需要1个月时间。使用激光焊接代替手工钎焊工艺,节省了培养熟练操作工所需要的至少一个月时间,激光焊接可一次性焊接多个滑环组件,一次焊接的个数由工装夹具与焊接设备的工作面大小决定,经过实地试验,平均10s可焊接15件滑环组件(不含准备时间),可有效的提高滑环组件的焊接效率。

3.2 工件质量

3.2.1 一致性

手工钎焊的影响因素很多,一致性较差,同一个工人焊接出来的工件也会有差别,更不用说多个工人进行焊接了。通过分别在手工钎焊和激光焊接的零件中随机抽取若干焊环工件,进行观察对比,激光焊接的一致性高于手工。

3.2.2弯折次数

取手工钎焊和激光焊接的工件进行弯折对比试验,两种引出线,漆包线和多股线每种各取三组。试验结果如表3-1,表3-2。

表3-1 滑环组件引出线(漆包线)弯折次数

焊接方法

手工钎焊

激光焊接

表 3-2滑环组件引出线(多股线)弯折次数

焊接方法

手工钎焊

激光焊接

对以上试验数据分别进行分析:

(1)滑环组件(漆包线)

由均方根可得,手工钎焊与激光焊接的弯折次数大致是相等的,激光焊接对弯折次数无影响。

(2)滑环组件(多股线)

由均方根可得,手工钎焊与激光焊接相比较,激光焊接的滑环组件弯折次数优于手工钎焊。

由以上试验可得,激光焊接对滑环组件(漆包线)的弯折次数无影响,对滑环组件(多股线)的弯折次数有很大的改善。

3.2.3 可承受拉力

取手工钎焊和激光焊接的工件进行可承受拉力对比试验,两种引出线,漆包线和多股线每种各取三组。试验结果如表3-3,表3-4。

表3-3  滑环组件(漆包线)引出线可承受最大拉力值(单位:N)

焊接方法

手工钎焊

激光焊接

表3-4  滑环组件(多股线)引出线可承受最大拉力值(单位:N)

焊接方法

手工钎焊

激光焊接

对以上试验数据分别进行分析:

(1)滑环组件(漆包线)

手工钎焊与激光焊接相比较,激光焊接的滑环组件可承受的最大拉力值略低于手工钎焊,但远远大于技术要求值。

(2)滑环组件(多股线)

手工钎焊与激光焊接相比较,激光焊接的滑环组件可承受的最大拉力值略低于手工钎焊,但远远大于技术要求值。

由以上试验可得,激光焊接的滑环组件可承受的最大拉力值略低于手工钎焊,但远远大于技术要求值,并不影响生产质量。

3.3 其它方面

激光焊接技术可以改善工人的工作环境,工人不会再吸到烟尘,减轻工人的工作量,工人不用在长时间的使用体视显微镜进行工作。激光焊接设备的使用可以使工人远离职业病的危害。

激光焊接是否会让环材料金相改变,后续还将进行金相分析。激光焊接工件对产品的使用寿命是否产生影响后续也再会进行验证试验。

4. 结论

激光焊环技术的使用,在工作效率上,节省了培训熟练操作工需要的至少一个月时间,操作工焊接1件滑环组件需要4min,而使用激光焊接设备平均10s可焊接15件滑环组件(不含准备时间),生产效率提高了上百倍;在生产质量上,激光焊接的工件一致性较高,抗弯折次数有所提高,可承受拉力略低于手工钎焊零件但远高于生产要求,并且消除了手工钎焊会给工人身体健康带来影响的问题。激光焊接相较于传统焊接方式在生产效率有着巨大优势,激光焊接正在不断的向更多领域覆盖,本次用于焊环工艺的试验为焊接微型零件提供了参考,为更全面的应用于民品做出了示范。

参考文献

[1]孙金艳,电焊作业环境职业病危害因素识别与卫生防护对策[J].环境与职业医学,2009,10(5):512-513

[2]陈彦宾,现代激光焊接技术[M].北京:科学出版社,2005

[3]周登科,激光焊接技术的应用与发展研究[J].职业技术,2017,16(4);108-110

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