镭射点焊与激光焊接的危害.doc

镭射点焊与激光焊接的危害.doc 鐳射點焊 目前生產中所使用的點焊方式大多為電阻點焊,它易於實現自動化和機械化,生產效率高。但是也存在很多問題,比如無損檢測困難,接頭強度低等。隨著各種焊接方式的不斷產生和發展,點焊方式也呈現多樣化。目前已經應用於生產的就有電阻點焊、電弧點焊、鐳射點焊和膠接點焊等多種點焊方法。 鐳射點焊作為一種新的點焊方式,與傳統的電阻點焊相比具有其特有的優勢。由於採用鐳射作熱源,點焊速度快、精度高,熱輸入量小,工件變形小;鐳射的可達性較好,可以減少點焊時位置與結構上的限制;鐳射點焊屬於無接觸焊接,焊點之間的距離、搭接量等參數的調節範圍大;不需要大量的輔助設備,能夠較快的適應產品變化,滿足市場需求。鐳射點焊所具有的高精度、高柔性的特點使其在實際生產,特別是航空工業的應用中能夠取代傳統的電阻點焊和鉚接等工藝。 目前鐳射點焊技術多應用在大批量自動化生產的微小元件的組焊中,採用高頻率、低功率的脈衝雷射器,所得焊點熱影響區小,焊點無污染,焊接品質高。 鐳射焊點分析: 鐳射焊點表面存在金屬堆積,焊點中心則呈現不同程度的下塌,這主要是由於金屬來不及回填產生的。當鐳射功率達到一定值時,熔池中的液態金屬急劇蒸發形成匙孔,並產生一個反衝力,把液態金屬推向熔池的邊緣,堆積在焊點周圍。當鐳射停止作用時,金屬不再蒸發,反衝力消失,堆積的金屬在重力的作用下重填匙孔,同時液態金屬冷卻凝固。如果金屬在沒有完全回填匙孔的情況下凝固,就會在焊點表面形成下塌。相對於連續焊來說,由於鐳射點焊加熱時間短,金屬的冷卻凝固速度很快,所以下塌現象更明顯。另外,在點焊過程中還存在著金屬的 損失,這種損失一方面是由於鐳射點焊時金屬急劇蒸發,另一方面是金屬蒸發時產生的反衝壓力造成金屬的飛濺。 在未熔透情況下焊點表面均無下塌現象,且功率變化對熔深的影響較大。焊點完全熔透,此時表面出現明顯下塌,甚至在焊點的表面中心形成凹坑,鐳射功率越大,凹坑現象越明顯。氣孔現象要比熔透情況下明顯。氣孔位置一般出現在熔合面附近,這可能是由於鐳射功率較小時熔池的攪動不夠劇烈,熔池中的氣泡無法很快的上浮,從而形成氣孔。 離焦量對焊點焊的影響 離焦量的變化直接改變了光點直徑與能量密度的大小,離焦量向負方向和正方向增大時,都意味著光點直徑的增大和能量密度的減小。在鐳射點焊過程中,光點直徑與鐳射入射在試件上所形成的初始匙孔大小存在一定的對應關係,而能量密度則決定了熔池的擴展速度。當離焦量絕對值較小時,鐳射光點直徑小,鐳射功率密度大,焊點熔池擴展的速度較快,但初始匙孔的直徑小;相反情況下,離焦量較大,初始匙孔的直徑大,但是熔池擴展速度變慢,得到的焊點尺寸不一定很大,故在離焦量的變化過程當中光點直徑和焊點表面功率密度的綜合作用決定了焊點尺寸的大小。 鐳射點焊具有的特性: (1) 隨著鐳射功率的增加,焊點表面直徑出現上下波動,熔合面直徑和下表面直徑增長緩慢。焊點截面形態的變化不明顯。而隨著持續時間的增加,焊點尺寸增長很快,熔合面直徑的變化速率要大於上下表面直徑的變化速率。離焦量的變化對焊點尺寸的影響很大。它直接改變了光點直徑和鐳射功率密度,這兩者的綜合作用決定焊點尺寸的大小。 (2) 在熔透情況下,鐳射點焊的焊點表面存在明顯的下塌。隨著鐳射功率和持續時間的增加,焊點表面的下塌深度增大,在持續時間或者間隙尺寸較大的情況下,下表面還會出現內凹。 (3) 隨著間隙的增加,焊點整體變形,中心的下塌和內凹都很明顯,且熔合面出現收縮現象,強度下降很快。 目前在焊接電阻、電池及電子領域常用同時焊接兩個點的工藝,通常採用兩個鐳射光源設計。 奧華雙光點鐳射焊接機是雷射光束經過分光鏡分為兩束相同的雷射光束,經鏡片組聚為兩個光點.應用高能脈衝鐳射對物件進行焊接,雷射脈衝的高能量、高密度可使焊接平整、焊縫寬度小熱影響區小,能完成傳統工藝無法實現的精密焊接。此機型具有兩個光點同步運行,效率提高兩倍,兩光點距離可自由調節。 射焊接工藝方法不同可進行如下分類: 1、片與片間的焊接。 包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4種工藝方法。 對焊要求對縫品質較高,一般採用自動化焊接或手動焊接。 參考機型: ?鐳射通用焊接機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器: ?光纖傳輸鐳射焊接機 2、絲與絲的焊接。 包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4種工藝方法。 對這種焊接一般不適合自動焊接,採用手動焊接或半自動焊接。 參考機型: ?鐳射通用焊接機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: ?光纖傳輸鐳射焊接機: ?鐳射點焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: ?鐳射模具燒焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: 3、金屬絲與塊狀元件的焊接。 採用鐳射焊接可以成功的實現金屬絲與塊狀元件的連接,塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應注意絲狀元件的幾何尺寸。 參考機型: ?鐳射點焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器::?鐳射模具燒焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器::4、不同塊的組焊及密封焊。在元件物體上縫上進行密封焊接及組焊,如感測器等 參考機型: ?鐳射通用焊接機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器::?光纖傳輸鐳射焊接機:?鐳射模具燒焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: 5、塊狀物件補焊。採用鐳射將鐳射焊絲熔化沉積到基材上。一般適合模具等產品修補。參考機型: ?鐳射模具燒焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: ?鐳射點焊機:氙燈泵浦Nd:YAG雷射器:: 鐳射焊接的工藝參數。 1、功率密度。 功率密度是鐳射加工中最關鍵的參數之一。採用較高的功率密度,在微秒時間範圍內,表層即可加熱至沸點,產生大量汽化。因此,高功率密度對於材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。對於較低功率密度,表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒,在表層汽化前,底層達到熔點,易形成良好的熔融焊接。因此,在傳導型鐳射焊接中,功率密度在範圍在104~106W/CM2。 2、雷射脈衝波形。 雷射脈衝波形在鐳射焊接中是一個重要問題,尤其對於薄片焊接更為重要。當高強度雷射光束射至材料表面,金屬表面將會有60~98%的鐳射能量反射而損失掉,且反射率隨表面溫度變化。在一個雷射脈衝作用期間內,金屬反射率的變化很大。 3、雷射脈衝寬度。 脈寬是脈衝鐳射焊接的重要參數之一,它既是區別於材料去除和材料熔化的重要參數,也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。 4、離焦量對焊接品質的影響。 鐳射焊接通常需要一定的離做文章一,因為鐳射焦點處光點中心的功率密度過高,容易蒸發成孔。離開鐳射焦點的各平面上,功率密度分佈相對均勻。 離焦方式有兩種:正離焦與負離焦。焦平面位於工件上方為正離焦,反之為負離焦。按幾何光學理論,當正負離焦平面與焊接平面距離相等時,所對應平面上功率密度近似相同,但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時,可獲得更大的熔深,這與熔池的形成過程有關。實驗表明,鐳射加熱50~200us材料開始熔化,形成液相金屬並出現問分汽化,形成市壓蒸汽,並以極高的速度噴射,發出耀眼的白光。與此同時,高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊緣,在熔池中心形成凹 陷。當負離焦時,材料內部功率密度比表面還高,易形成更強的熔化、汽化,使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中,當要求熔深較大時,採用負離焦;焊接薄材料時,宜用正離焦。 2激光焊接引起的危害 激光焊接时，工作人员处于强激光的附近，如防护不好，可能会对眼睛、皮肤以及神经系统引起危害。 2.1激光对眼睛的危害 人对物体的视觉形成过程是:物体发出的可见光刺激视网膜上的感光细胞，然后经视神经传给大脑。 我国规定的眼睛直视激光束的最大允许照射量见表1。 2.2激光对神经的影响 激光对神经的影响系通过电磁效应而产生。激光可通过皮肤对神经末梢起作用，国外许多从事相关研究的专家通过对家兔、豚鼠的研究证实了这一点。 2.3激光对皮肤的损伤 当视网膜受到光强很大的激光照射时，轻则使视神经发痛，重则使视网膜损坏。 人的眼睛作为一个生物聚焦系统，聚焦后作用在视网膜上的功率密度较进入角膜前可提高2,5×105倍。显然，高度平行的激光对人眼可能引起的损伤必须高度重视。 激光对眼睛的损伤与激光波长、功率或能量、脉宽、环境等有关。 功率越大，波长越短，损伤越严重;夜间或在暗室时，瞳孔大，进入眼睛的能量大，危害大。 激光对皮肤的损害主要是烧伤。研究表明，深色皮肤较浅色皮肤的吸收率高;皮肤对CO2激光的吸收率高:吸收的能量主要沉积在皮肤浅层。 我国规定的激光照射皮肤的最大允许照射量见表2。 表3是美国食品与药物组织(FDA)1993年公布的对人眼和皮肤安全的不同波长激光束的剂量和最大允许的曝光时间。 3激光辐射时危害的控制 为了确保激光焊接时的安全与防护，对激光危害必须严加控制，控制方法主要是工程控制、个人防护以及安全管理等。 3.1工程控制 工程控制是指对激光器或激光加工系统在结构上所采取的安全措施，主要包括: (1)防护罩:用以防止工作人员接受超过最大允许照射量。 (2)安全连锁:是指与防护罩相连的、在移开防护罩时可避免辐射的自动装置。 (3)钥匙开关:这是一个广义概念，泛指取下钥匙时，激光器转。 (4)安全光路:对辐照可能引起燃烧或次级辐射的光路予以封闭。 (5)光束终止:为了使激光束不超越受控的加工作业区，可使用光束终止器或衰减器。 3.2个人防护 个人防护主要是指: (1)配戴激光防护眼镜:激光防护眼镜的滤光片选择性地衰减特定的激光波长，并尽可能多地透过非防护的可见辐射。激光防护眼镜可分为普通眼镜型、边框不透光的防侧光型以及边框部分透光的半防侧光型。 (2)配戴激光防护面罩:主要用于紫外激光源，激光防护面罩不仅可以保护眼睛，尚可保护面部皮肤。 (3)激光防护手套:高功率、高能量的激光无论直射或散射均会造成损害，因而，佩戴激光防护手套也是必要的。 (4)穿戴激光防护服:对工作人员皮肤可能受到最大允许照射量的岗位，应提供防护服，防护服应耐火、耐热。 3.3安全管理 安全管理主要包括设置专门机构或人员，明确职责、权利:包括安全培训以及医学监督等。