張國銳，高 力，王曉東，劉海燕，常 江

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)在石英撓性加速度計組件裝配連接上的應(yīng)用研究

張國銳，高 力，王曉東，劉海燕，常 江

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

在不改變激光重復(fù)頻率、焊接速率、脈沖寬度、離焦量等參數(shù)的情況下，只改變峰值功率，采用Nd：YAG脈沖激光對石英加速度計表芯裝配組件進行熱傳導(dǎo)焊接，通過X射線顯微鏡和超聲波無損檢測系統(tǒng)對焊接樣件的焊縫形態(tài)與焊接質(zhì)量進行檢測分析，并對樣件拉伸強度進行測試。結(jié)果表明：脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接中的熱輸入量對焊縫形態(tài)和焊接質(zhì)量有直接的影響，較低的熱輸入量可以實現(xiàn)邊界輪廓整齊、表面光亮、熱影響區(qū)較小、殘余應(yīng)力較低的焊縫形態(tài)，并且沒有裂紋缺陷，同時焊接樣件的拉伸強度是環(huán)氧膠粘接樣件的3倍以上。因此，脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)在組件裝配連接上的應(yīng)用具有潛在的優(yōu)勢。

脈沖激光；激光焊接；峰值功率；組件裝配

0　引言

組件裝配作為產(chǎn)品生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)，多數(shù)都對連接強度和表面清潔度有嚴格要求，常見的組件裝配連接大多采用環(huán)氧膠粘接［1］，環(huán)氧膠粘接裝配雖然容易對產(chǎn)品拆卸返工，但由于環(huán)氧膠性能容易受環(huán)境溫度濕度影響［2］，使用過程中容易老化［3-4］，而且粘接工藝對操作過程中的多余污染物難以控制，所以環(huán)氧膠粘接工藝影響了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

激光作為一種高能束，能量和光斑大小精確可控，聚焦光斑功率密度高，將激光束聚焦到工件表面，可以快速使材料發(fā)生熔融汽化，引起分子或原子的結(jié)合與擴散實現(xiàn)材料的焊接［5］。激光焊接具有焊縫窄、熱輸入量小、焊接速率快的優(yōu)點［6］，尤其是脈沖式激光以高峰值功率輸出使材料快速熔化，但平均功率較低，熱輸入量少，與材料的作用機理以熱傳導(dǎo)為主，熱影響區(qū)小，焊接變形?。?］，因此脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接是一種很好的組件裝配連接方法。

本文結(jié)合脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接在石英加速度計組件裝配中的應(yīng)用，探討了激光光束特性，尤其是峰值功率對連接效果的影響，并針對組件裝配連接要求對焊接工藝參數(shù)進行了分析，為脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接技術(shù)在組件裝配上的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1　實驗條件和方法

石英撓性加速度計表芯由兩軛鐵夾持石英擺片構(gòu)成，兩軛鐵與中間腹帶搭接連接，如圖1所示。軛鐵與腹帶材料同為Fe-Ni系低膨脹合金Invar36（64%Fe:36%Ni，質(zhì)量分數(shù)）。

圖1　石英加速度計表芯焊接示意圖Fig.1 The welding sketch map of quartz flexible accelerometer core

實驗采用燈泵固體YAG脈沖激光器，輸出激光波長為1064 nm，最大輸出平均功率為600 W，聚焦鏡焦距為100mm，功率密度達到104W/cm2以上，焊接過程中有氬氣保護。為避免焊接過程中器件內(nèi)部受損，選擇正離焦量2mm［8］。針對圖1所示的組件裝配結(jié)構(gòu)，激光輸出通過4根直徑400μm的光纖導(dǎo)引到加工位置，如圖1箭頭所示，焊接過程中四點同時出光焊接。調(diào)節(jié)焊接速率使作用光斑重疊率在70%以上，實驗中主要針對激光峰值功率變化，觀察熱輸入量變化對焊接效果的影響，焊接工藝參數(shù)如表1所示。調(diào)節(jié)激光器輸出參數(shù)，采用功率計對四路光纖輸出激光功率進行測量，如表2所示，結(jié)果表明，四路激光輸出實際功率值最大偏差約2%，可以滿足焊接對于四路激光功率一致性的要求。

表1　實驗中的焊接工藝參數(shù)Table 1 Process parameters in the welding experiment

實驗按照GB/T 228-2002對激光焊接樣件和環(huán)氧膠粘接樣件進行拉伸強度測試并對比。通過XRadia公司生產(chǎn)的MicroXCT-200型X射線顯微鏡對焊縫進行測量觀察，射線源最大電壓為150kV，空間最小分辨率可達1μm。采用超聲波無損檢測系統(tǒng)對焊接殘余應(yīng)力進行測試分析。

2　實驗結(jié)果與分析

焊接過程中保持激光輸出脈寬為5ms，重復(fù)頻率為5Hz，作用光斑重疊率為72%不變的前提下，改變輸出激光峰值功率從4kW到8.5kW，即改變焊接過程中的熱輸入量進行焊接。通過X射線顯微鏡對樣件進行觀察測量，從圖2和圖3可以看出，隨著峰值功率的增大，焊縫處熔池寬度和深度都不斷增加，熔池形態(tài)由最初的凹陷狀逐漸變?yōu)榉浅ｏ枬M的凸起狀，這是由于峰值功率增大使相同時間內(nèi)金屬的熔化量增大，快速冷卻后引起熔池形態(tài)的變化；峰值功率達到6.5kW時，焊縫熔寬與熔深幾乎不再變化，這時單脈沖能量對材料的熔化量已經(jīng)接近飽和，但此時焊縫形貌的一致性遭到破壞，焊縫邊緣參差不齊，熱影響區(qū)不均勻，局部區(qū)域有明顯的 “過燒”現(xiàn)象。當峰值功率為4kW時，焊縫熔池為平滑的過渡弧，熔池區(qū)域較小，熔深約0.2mm，焊縫邊界輪廓整齊，表面光亮，沒有任何裂紋痕跡。這些與脈沖激光離散作用的特點有關(guān)，脈沖激光焊接過程中焊縫區(qū)域經(jīng)過多次熔化重凝，熔凝區(qū)域的邊界形成焊縫輪廓，合理的控制脈沖激光峰值功率與作用光斑重復(fù)率可以避免裂紋的產(chǎn)生。

表2　四路激光輸出功率實測值Table 2 The measured value of laser output in four fiber branches

圖2　改變峰值功率得到的樣件X射線顯微圖像Fig.2 The X-ray micrograph of samples with different peak power

圖3　焊縫熔深和熔寬隨峰值功率的變化Fig.3 The dependence of welding width and depth on peak power

選取焊接峰值功率為4kW的樣件做拉伸試驗，并與環(huán)氧膠粘接試件做對比，測試結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明，激光焊接樣件的拉伸強度是環(huán)氧膠粘接樣件的3倍以上，完全可以滿足產(chǎn)品對于連接強度的要求，采用激光焊接可以提高產(chǎn)品組件裝配連接的可靠性。

采用超聲波無損檢測系統(tǒng)對峰值功率為4kW 和8.5kW樣件的焊縫軸向應(yīng)力進行檢測，檢測時沿著焊縫每隔22.5°檢測一個值，每個樣件檢測13個點，其中腹帶缺口處不做檢測，檢測結(jié)果為相對應(yīng)力，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，峰值功率為4kW的樣件焊接殘余應(yīng)力明顯優(yōu)于峰值功率為8.5kW的樣件，峰值功率為8.5kW的樣件其中一個點檢測結(jié)果明顯偏大，屬于焊接缺陷。這也驗證了適當?shù)臒彷斎肓客耆梢詫附硬课贿M行有效加熱和熔化，熱輸入量偏大，容易在焊縫區(qū)域形成顯微空孔、富集相等結(jié)構(gòu)缺陷［9］。

表3　樣件拉伸強度測試結(jié)果Table 3 The test results of sample tensile strength

圖4　樣件超聲波無損檢測結(jié)果Fig.4 The results of sample ultrasonic nondestructive test

3　結(jié)論

采用Nd:YAG脈沖激光對石英撓性加速度計表芯裝配組件進行激光熱傳導(dǎo)焊接，焊接組件抗拉強度是環(huán)氧膠粘接件的3倍以上。合理控制激光焊接工藝參數(shù)，當焊接熱輸入量較小時，可以得到邊界輪廓整齊、表面光亮、熱影響區(qū)較小、殘余應(yīng)力較小的焊縫形態(tài)，并且沒有裂紋等缺陷，可以滿足組件裝配對于產(chǎn)品連接強度和表面清潔度的要求，因此，脈沖激光熱傳導(dǎo)焊接在組件裝配連接應(yīng)用上具有潛在的優(yōu)勢。

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Research on Laser Heat Conduction Welding in Components Assembly of Quartz Flexible Accelerometer

ZHANG Guo-rui，GAO Li，WANG Xiao-dong，LIU Hai-yan，CHANG Jiang
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Components of quartz accelerometer core are connected by Nd:YAG pulse laser heat conduction welding with changing the peak power only，the welding shape and welding quality of samples are checked and analyzed through X-ray microscope and ultrasonic nondestructive testing system，and the tensile strength of samples are tested.The results show that the heat input of the pulse laser heat conduction welding has a direct impact on the welding shape and the welding quality，low heat input can get neat boundary，clean surface，small heat affected zone and low residual stress，and moreover，there is no crack defects.The tensile strength of the welded samples is three times more than that of epoxy adhesive samples.Therefore，pulse laser heat conduction welding technology has a potential advantage in the application of components assembly connection.

pulsed laser；laser welding；peak power；components assembly

TN249

A

1674-5558（2016）04-01095

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.017

2015-03-31

張國銳，男，碩士，工程師，研究方向為激光與物質(zhì)相互作用。