嚴(yán)劍剛，羅俊

燈內(nèi)鎢電極激光焊應(yīng)用研究

嚴(yán)劍剛1，羅俊2

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海201209；2.上海亞爾光源有限公司，上海201801）

通過焊接處外觀、電子顯微組織、焊接牢度、彎折強(qiáng)度及制燈后的使用情況，對比研究燈內(nèi)鎢電極激光焊和電阻焊兩種焊接方法的優(yōu)劣，探討研究了燈內(nèi)鎢電極激光焊取代電阻焊的可行性。結(jié)果表明：激光焊接方法的焊接處外觀質(zhì)量良好，未出現(xiàn)明顯表面焊接破損；激光焊焊接處的熱影響區(qū)小、晶粒較小，焊接牢度較電阻焊更穩(wěn)定，焊接處彎折強(qiáng)度與母材彎折強(qiáng)度相當(dāng)，高于電阻焊焊接處彎折強(qiáng)度。激光焊質(zhì)量、生產(chǎn)效率顯著高于電阻焊，驗(yàn)證了燈內(nèi)鎢電極激光焊取代電阻焊的可行性。

電極；激光焊；電阻焊；顯微組織；焊接牢度

0　引言

對于燈內(nèi)電極而言，電極是燈的心臟［1］。因此電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、焊接方式等都會影響到燈的光電參數(shù)及使用壽命［2］。為此，燈用電極焊接方式是制造高光效、長壽命燈的關(guān)鍵，對該領(lǐng)域的深入研究必不可少。

燈內(nèi)電極是由鎢彈簧套入鎢芯棒再焊接裝配而成的產(chǎn)品［3］。燈內(nèi)電極的焊接一直采用傳統(tǒng)的電阻焊接方式，該技術(shù)采用上下電極放電焊接，即將被焊工件壓緊于兩點(diǎn)焊電極之間，并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合［4］。但電阻焊易出現(xiàn)的焊點(diǎn)大，焊接施壓不慎擠壓變形，焊接牢度不穩(wěn)定，破壞母材抗彎強(qiáng)度，工藝衛(wèi)生難以保證，自動化程度不高等缺點(diǎn)［5］。在不斷要求提高燈的壽命和質(zhì)量的同時，燈內(nèi)鎢電極的焊接技術(shù)也提出了更高的要求。

激光焊接作為一種熱輸入小、高精度、低變形、熱影響區(qū)小和高速度的焊接方法，在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用［6］。本文采用激光焊與電阻焊對燈內(nèi)鎢電極進(jìn)行試驗(yàn)，對比分析焊接處外觀、電子顯微組織、焊接牢度、彎折強(qiáng)度及制燈后使用情況，從而驗(yàn)證燈內(nèi)鎢電極激光焊取代電阻焊的可行性。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為直徑0.9 mm×12 mm鎢芯棒、鎢彈簧。鎢的熔點(diǎn)為3680K，是僅次于碳（熔點(diǎn)為4100K）的難熔元素［7］。而試驗(yàn)又是將鎢與鎢焊接在一起，可知焊接時的局部溫度之高，對焊接后材料的影響之大，因此試驗(yàn)的難度非常大。

試驗(yàn)焊接前要對鎢芯棒與鎢彈簧進(jìn)行清洗處理去除表面雜質(zhì)，保證焊接牢度和防止高溫焊接時氧化。分別采用日本THM株式會社生產(chǎn)的高精度激光焊接專用設(shè)備和鎮(zhèn)江無線電專用設(shè)備有限公司小功率點(diǎn)焊機(jī)對鎢彈簧裝配入鎢芯棒進(jìn)行焊接，使兩者牢固結(jié)合。激光焊接系統(tǒng)由ND∶YAG激光器進(jìn)行光纖兩點(diǎn)焊接，焊接工藝參數(shù)：直徑為0.2 mm，激光頻率50 Hz，激光脈沖寬度1.5 ms，氫氮保護(hù)氣體防止焊接中的氧化。自動化生產(chǎn)效率可達(dá)25 PCS/min；電阻焊焊接電流12 A，焊接時間1 s，點(diǎn)焊電極壓力100 N，使用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體。目前采用的半自動焊接方式，生產(chǎn)效率為8 PCS/min。

試驗(yàn)對同批次半成品采用兩種焊接方式焊接后，觀察焊接處外觀、顯微組織、焊接牢度、彎折強(qiáng)度。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊接處外觀

分別對直徑0.9 mm×12 mm的鎢芯棒、鎢彈簧進(jìn)行激光焊接和電阻焊接試驗(yàn)，多次試驗(yàn)顯示兩種焊接方式焊點(diǎn)的外觀質(zhì)量存在一定的差別。

圖1所示為激光焊焊接鎢電極試樣外觀照片，從中可以看出，焊點(diǎn)表面平整、光亮，試樣焊點(diǎn)處本身變形量極小，表面沒有任何焊接氧化現(xiàn)象，焊接質(zhì)量好。

圖2所示為電阻焊焊接鎢電極試樣外觀照片，從中可以看出，焊點(diǎn)表面較平整，焊后鎢彈簧發(fā)生了明顯的變形，表面沒有任何焊接氧化現(xiàn)象，焊接質(zhì)量一般。

圖1　激光焊試樣外觀Fig.1　Outside look of the laser welding sample

圖2　電阻焊試樣外觀Fig.2　Outside look of the resistant welding sample

2.2焊接后電子顯微組織

鎢絲晶粒細(xì)長，晶界比較清晰，呈現(xiàn)明顯的纖維狀組織［8］。試驗(yàn)對同批次直徑0.9 mm×12 mm鎢芯棒、鎢彈簧通過兩種焊接方式焊接后焊接處顯微組織與母材相比較。

圖3所示為激光焊焊接試樣焊接處的橫向截面電子顯微組織圖片。從圖中可以看出焊接處組織與母體組織變化不大，焊接對母體的影響不大，保持了原有的組織結(jié)構(gòu)。

圖3激光焊電子顯微組織Fig.3　Electron microstructure for laser welding

圖4所示為電阻焊焊接試樣焊接處的橫向截面電子顯微組織圖片。從圖中可以看出焊接處組織與母體組織比較有明顯的變大，原有的組織結(jié)構(gòu)遭到一定的破壞，這與電阻焊電流、壓力較大有一定的影響。

圖4　電阻焊電子顯微組織Fig.4　Electron microstructure of resistant welding

2.3焊接牢度

焊接牢度影響電極啟動與放電過程中的散熱情況［9］，因此電極的牢度是燈質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。試驗(yàn)對同批次直徑0.9 mm×12 mm鎢芯棒、鎢彈簧通過兩種焊接方式后的牢度進(jìn)行測試比較，牢度對比曲線見圖5。

圖5　焊接試樣的牢度對比曲線Fig.5　Contrastive curve for welding strength

圖5中實(shí)線所示為激光焊焊接試樣的焊接牢度數(shù)據(jù)變化，由于激光焊熱輸入小、高精度，從圖中可以看出激光焊的數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定，產(chǎn)品焊接牢度的一致性相對較好。

圖5中虛線所示為電阻焊焊接試樣的焊接牢度數(shù)據(jù)變化，從圖中可以看出電阻焊的數(shù)據(jù)變化較大，由于電阻焊電極接觸面積大，焊件又是圓柱形，焊接時位置不能保證，導(dǎo)致焊接后牢度不穩(wěn)定，甚至有產(chǎn)品發(fā)脆現(xiàn)象。在后續(xù)熱處理加工中電極出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，表明之前電阻焊有假焊現(xiàn)象，焊接牢度一致性不好。

2.4彎折強(qiáng)度

電極與玻璃封接的過程中要求承受一定的擠壓力，因此電極焊接后需保證不能有發(fā)脆現(xiàn)象，影響后續(xù)的裝配，彎折強(qiáng)度對比曲線見圖6。

圖6中實(shí)線所示為激光焊焊接試樣的焊接處彎折強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化，從圖中可以看出由于激光焊熱影響區(qū)小，焊接處組織與母體變化不大，因此焊接后彎折強(qiáng)度與母體彎折強(qiáng)度相當(dāng)，一致性較好。

圖6中虛線所示為電阻焊焊接試樣的焊接處彎折強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化，從圖中可以看出由于電阻焊上下擠壓產(chǎn)品，產(chǎn)品變形大，導(dǎo)致焊接處組織明顯長大，彎折強(qiáng)度相對較低。

圖6　彎折強(qiáng)度對比曲線Fig.6　Contrastive curve for bending strength

2.5焊接后清潔度

雜質(zhì)對氣體放電燈的危害不容忽視，它將影響到燈的啟動和放電的進(jìn)行，使電極受損增加了電弧管發(fā)射材料的濺射等不利因素［10］。因此在制燈過程中必須避免雜質(zhì)的污染。圖7為激光焊電極雜質(zhì)含量，圖8為電阻焊電極雜質(zhì)含量。

激光焊不使用焊接電極，不會有電極和生產(chǎn)過程的污染；而電阻焊接采用電極接觸式，并且在焊接電極磨損后修磨都會對產(chǎn)品有污染。試驗(yàn)對焊接后的產(chǎn)品進(jìn)行元素檢測，電阻焊接后產(chǎn)品的污染較為嚴(yán)重，影響后續(xù)制燈的質(zhì)量。

圖7　激光焊電極雜質(zhì)含量Fig.7　Impurity content for laser welding electrode

圖8　電阻焊電極雜質(zhì)含量Fig.8　Impurity content for resistant welding electrode

3　結(jié)論

針對采用激光焊和電阻焊焊接燈內(nèi)電極的制燈后使用情況，從外觀、顯微組織、焊接牢度和彎折強(qiáng)度等四個方面進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明：

（1）激光焊焊接試樣的變形程度顯著低于電阻焊，且焊點(diǎn)顯著小于電阻焊。

（2）激光焊焊接區(qū)域組織保持原來母材晶粒大小，沒有明顯變化；電阻焊焊接區(qū)域由于焊接時加壓加熱加大，晶粒明顯變大。

（3）激光焊接牢度一致性較好，質(zhì)量得到保證；電阻焊接牢度變化較大，穩(wěn)定性差，質(zhì)量無法保證。

（4）激光焊接能量穩(wěn)定，焊接區(qū)與母材性能變化小，彎折強(qiáng)度變化??；電阻焊接能量變化大，導(dǎo)致產(chǎn)品有發(fā)脆現(xiàn)象。

（5）激光焊接方式對電極的污染小，對制燈后的質(zhì)量沒有影響。根據(jù)焊接效率，激光焊的生產(chǎn)效率是電阻焊的3倍，有效地降低了生產(chǎn)成本。

由此，激光焊接熱輸入小、高精度、低變形、熱影響區(qū)小和高速度的焊接方法，其焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于電阻焊接，完全可以取代目前照明行業(yè)內(nèi)一直采用的電阻焊方式，提高焊接質(zhì)量，為燈用電極焊接開創(chuàng)了新的生產(chǎn)工藝，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

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Application of Laser Welding in Lamp Tungsten Electrode

YAN Jiangang1，LUO Jun2
（1.ShanghaiSecondPolytechnicUniversityofEngineeringTrainingCenter，Shanghai 201209，China；2.ShanghaiY&LLightingCo.，LTD，Shanghai 201801，China）

This paper studies the possibility of replacing resistant welding with laser welding.The two different welding processes are compared by observing appearance of weld knot，crystallization structure，welding strength through bending and aging tests.The result indicates that laser welding has better qualities of weld knot without any damage on the surface.Thermal area affected by laser welding is smaller in size also for crystallization.Welding strength of laser process is more stable in comparison with resistant welding.

electrode；laser welding；resistant welding；microstructure structure；weld strength

TN205

A

10.3969/j.issn.1009-0622.2016.05.009

2016-05-21

嚴(yán)劍剛（1979-），男，上海人，高級工程師，主要從事光源與照明領(lǐng)域的研究。