胡 欣

(上海亞爾光源有限公司，上海 201801)

0 引言

燈內電極的焊接一直沿用傳統(tǒng)的電極電阻焊接，該技術采用上下鎢電極放電焊接，即將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流，利用電流流經工件接觸面及鄰近區(qū)域產生的電阻熱效應將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結合。由于受多種因素的影響，其焊接后的產品質量難以保證，而且焊接強度的一致性很差。其主要缺點有以下幾方面:

(1)焊接電極接觸面大，焊件位置不能保證，導致焊接的強度很不穩(wěn)定。

(2)電極表面由于放電產生不平，需要經常修磨。電極廢棄后會產生污染。

(3)經過燒氫處理后，焊點會有脫落現象。

(4)焊接小規(guī)格產品時，由于上下電極的擠壓會造成產品的變形。

(5)焊接能量變化，導致產品發(fā)脆。

(6)單個產品焊接時間長。

(7)產品手工焊接，使用簡單夾治具不能保證焊接的質量。

對于照明燈泡來說，電極是其電弧管的心臟，電極的結構、形狀的設計、材料的選用、工藝的處理都會影響到燈的光電參數及使用壽命。為此對電極的深入研究和探討必不可少，是制造高光效、長壽命、光色好的陶瓷金鹵燈的關鍵。電極工作在一個密閉的電弧管泡殼腔體內，其兩端工作溫度在2 500～3 000 ℃之間，最高溫度可達4 000～5 000 ℃，該溫度與燈的燃點位置、鎮(zhèn)流器種類、電壓、電流等多種因素有關。

1 項目思路

隨著激光技術的不斷成熟和完善，高效、穩(wěn)定、精密的激光焊接技術取代傳統(tǒng)的電阻焊接已經不可避免。但是由于產品很小，精度要求高是擺在我們面前的難題。目前只有OSRAM、PHILIPS、GE 等少數幾家公司能自主生產該類產品，滿足自己公司的需要。為了達到世界一流的電極制造目標，我們開展了激光電極研究項目，使用國產的激光電極來滿足市場的要求。

2 項目的主要內容

2.1 項目的技術創(chuàng)新點

采用高精度的激光焊接新工藝、新設備和精密模具、焊接技術，解決該類電極產品焊接、產品形位公差等工藝技術問題，為制備各種燈用電極開創(chuàng)了新的工藝技術路線。

2.2 激光的原理及特點

激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工件就會在幾毫秒內熔化和蒸發(fā)，這一效應可用于焊接工藝高功率CO2及高功率YAG 激光器的出現，開辟了激光焊接的新領域。激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd:YAG 激光器。Nd(釹)是一種稀土族元素，YAG 代表釔鋁柘榴石，晶體結構與紅寶石相似。Nd:YAG 激光器波長為1.06 μm，主要優(yōu)點是產生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4 kW 的Nd:YAG 激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質，產生平均為10.6 μm 的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5 kW 之間。

激光焊接的特點是:

(1)速度快，深度大，變形小。

(2)能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移;激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

(3)可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。

(4)激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達5 ∶1，最高可達10 ∶1。

(5)可進行微型焊接。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應用于大批量自動化生產的微小型工件的組焊中。

(6)可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應用。

(7)激光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

保證激光焊接的質量，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質量控制是一個激光利用領域的重要內容，利用光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調節(jié)焊接工藝參數，從而實現自動化激光焊接。

2.3 實施與解決

2.3.1 激光器的選擇

高精度的激光發(fā)生器是必需的。由于焊接所需要的功率不大，我們選擇了焊接精度較高，并能通過光纖傳遞的YAG 激光器。該類激光器也被廣泛運用在電子、汽車等領域。

2.3.2 焊接參數的選擇

由于產品的尺寸又細又短，最小的產品直徑只有0.2 mm，厚度只有0.03 mm，這給我們的焊接制造了很大的困難。怎么才能將這么細、薄的材料焊接到一起呢，我們試驗了很多廠家的激光設備，以及不同的焊接參數，不一樣的焊接位置等，最后我們找到了THM 公司高精度的激光焊接設備，同時采用直徑為0.2 的光纖兩點焊接，保證產品的一致性、配合尺寸和焊接強度的要求。技術研發(fā)人員通過自主研發(fā)、設計，歷時一年摸索得到的這些工藝、設備，再加上公司穩(wěn)定的質量控制，從而確保了產品的質量。

對于半成品鎢彈簧和鎢芯棒的要求來說，也需要有一個大的提高，才能滿足高速的激光生產需要，我們進口了一些彈簧繞制設備，加強了上述產品公差的控制，為激光焊接創(chuàng)造良好的條件。

為了防止產品在焊接過程中的氧化，我們選擇了多種的保護氣體，如氮氣、氦氣、氬氣、不同比例的氫氮混合氣，最終我們選擇到了合適的保護氣體。

2.3.3 加工的設備

采用激光焊接工藝，將半成品鎢彈簧和鎢芯棒裝入自動化設備后進行焊接，焊接成產品形位公差不大于+/ -0.003 mm，平整度誤差不大于0.03 mm，焊接強度大于2.5 磅，產品無過焊、氧化現象。

電極激光自動焊接屬于熔融焊接，其優(yōu)點:

(1)控制激光能量穩(wěn)定，產品焊接一致性好，質量得到保證。

(2)不需使用焊接電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，產品的耗損及變形可降至最低，最大程度保證了產品的一致性。

(3)激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，能精確的對準焊件。

(4)電腦控制，可以切換裝置將激光束傳送至多個出射頭。

(5)焊接后兩個物品相互熔融，強度好。

設備原理:該設備是由激光發(fā)生器和主設備兩部分組成的，其生產運行的速度達到25 只/分鐘。激光由發(fā)生器內的釹(Nd)為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒(Nd:YAG)產生1～8 kW 的連續(xù)單一波長光束。其激光波長為1.06 um，通過多道柔性光纖連接到激光出射頭。電極和芯棒在主設備上進行裝配后，運行到特定的工位由激光進行焊接。其中焊接的參數經過大量試驗的數據積累，可以保證電極的焊接強度，彎折強度，焊道無氣孔及脆化現象。焊接過程中有CCD設備進行全程監(jiān)控，可以及時發(fā)現各類問題。焊接好的產品自動落料，節(jié)約了人工。設備是與日本公司共同開發(fā)的，生產效率達到25PCS/Min，且產品質量穩(wěn)定。目前已經有兩臺設備(圖1)在生產，為公司取得了大量的經濟效益。

圖1 激光加工設備

2.3.4 產品種類

產品種類見表1。

表1 不同種類的部件規(guī)格

2.3.5 項目的經濟效益和社會效益

(1)現已得到了包括美國GE 公司、美國SALVANA、荷蘭飛利浦、亞明等多家國際、國內供應商的認證，獲得了大量的訂單，同時又填補了國內電極激光焊接生產的空白，打破了只有少數幾個歐美國家能夠生產該產品的技術壁壘，為國內的照明行業(yè)電極生產起到了推動作用。

(2)通過研發(fā)人員的努力，該產品正在申請多項專利。由于電極自動激光生產，企業(yè)年增加銷售1 200 萬元，利潤增加260 萬元，增加稅收46 萬元。目前粗略估算，公司電極的市場占有率達到80%以上，可以說已經占有了國內的市場。

3 小 結

綠色照明的發(fā)展對緩和我國能源緊張的狀態(tài)，減輕污染是十分重要的，也得到了國家各項政策的大力扶持。本項目即電極激光焊接，是在現有激光技術不斷成熟和完善的基礎上，采用高精度的激光焊接新工藝、新設備和精密模具、焊接技術，解決該類電極產品形位公差等工藝技術問題，開發(fā)出了新型的電極焊接方法，該方法為制備各種燈用電極開創(chuàng)了新的工藝技術路線。項目取得了巨大的成功，贏得了國內外的大量客戶，取得了良好的經濟效益和社會效益。同時該產品市場需求量大，發(fā)展前景良好，特別是國外的市場還有很大的潛力。同時我們會繼續(xù)加大科技投人，加大研制開發(fā)力度，進行汽車金鹵燈電極的開發(fā)，以適應國內外光源市場的需求，盡快趕超國際先進水平。

［1］周太明，周詳，蔡偉新.光源原理與設計［M］.2 版.上海:復旦大學出版社，2006

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［5］楊正名，蔡國生，張明，高光義.陶瓷金鹵燈的發(fā)展及關鍵技術［J］.中國照明電器，2007(1)

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