胡 欣

(上海亞爾光源有限公司，上海 201801)

0 引言

燈內(nèi)電極的焊接一直沿用傳統(tǒng)的電極電阻焊接，該技術(shù)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(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。由于受多種因素的影響，其焊接后的產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，而且焊接強(qiáng)度的一致性很差。其主要缺點(diǎn)有以下幾方面:

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

(2)電極表面由于放電產(chǎn)生不平，需要經(jīng)常修磨。電極廢棄后會(huì)產(chǎn)生污染。

(3)經(jīng)過(guò)燒氫處理后，焊點(diǎn)會(huì)有脫落現(xiàn)象。

(4)焊接小規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，由于上下電極的擠壓會(huì)造成產(chǎn)品的變形。

(5)焊接能量變化，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)脆。

(6)單個(gè)產(chǎn)品焊接時(shí)間長(zhǎng)。

(7)產(chǎn)品手工焊接，使用簡(jiǎn)單夾治具不能保證焊接的質(zhì)量。

對(duì)于照明燈泡來(lái)說(shuō)，電極是其電弧管的心臟，電極的結(jié)構(gòu)、形狀的設(shè)計(jì)、材料的選用、工藝的處理都會(huì)影響到燈的光電參數(shù)及使用壽命。為此對(duì)電極的深入研究和探討必不可少，是制造高光效、長(zhǎng)壽命、光色好的陶瓷金鹵燈的關(guān)鍵。電極工作在一個(gè)密閉的電弧管泡殼腔體內(nèi)，其兩端工作溫度在2 500～3 000 ℃之間，最高溫度可達(dá)4 000～5 000 ℃，該溫度與燈的燃點(diǎn)位置、鎮(zhèn)流器種類(lèi)、電壓、電流等多種因素有關(guān)。

1 項(xiàng)目思路

隨著激光技術(shù)的不斷成熟和完善，高效、穩(wěn)定、精密的激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的電阻焊接已經(jīng)不可避免。但是由于產(chǎn)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(shù)幾家公司能自主生產(chǎn)該類(lèi)產(chǎn)品，滿(mǎn)足自己公司的需要。為了達(dá)到世界一流的電極制造目標(biāo)，我們開(kāi)展了激光電極研究項(xiàng)目，使用國(guó)產(chǎn)的激光電極來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求。

2 項(xiàng)目的主要內(nèi)容

2.1 項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

采用高精度的激光焊接新工藝、新設(shè)備和精密模具、焊接技術(shù)，解決該類(lèi)電極產(chǎn)品焊接、產(chǎn)品形位公差等工藝技術(shù)問(wèn)題，為制備各種燈用電極開(kāi)創(chuàng)了新的工藝技術(shù)路線(xiàn)。

2.2 激光的原理及特點(diǎn)

激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，如果焦點(diǎn)靠近工件，工件就會(huì)在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應(yīng)可用于焊接工藝高功率CO2及高功率YAG 激光器的出現(xiàn)，開(kāi)辟了激光焊接的新領(lǐng)域。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是固體激光器，又稱(chēng)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(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd:YAG 激光器波長(zhǎng)為1.06 μm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車(chē)工業(yè)常用輸出功率為3～4 kW 的Nd:YAG 激光器。另一類(lèi)是氣體激光器，又稱(chēng)CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)激光功率在2～5 kW 之間。

激光焊接的特點(diǎn)是:

(1)速度快，深度大，變形小。

(2)能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。例如，激光通過(guò)電磁場(chǎng)，光束不會(huì)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(guò)玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。

(3)可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)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(shí)，深寬比可達(dá)5 ∶1，最高可達(dá)10 ∶1。

(5)可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)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(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來(lái)，在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

(7)激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時(shí)間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)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(zhì)量，也就是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制是一個(gè)激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，利用光電等各種傳感器，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)處理，針對(duì)不同焊接對(duì)象和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫質(zhì)量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光焊接。

2.3 實(shí)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(guò)光纖傳遞的YAG 激光器。該類(lèi)激光器也被廣泛運(yùn)用在電子、汽車(chē)等領(lǐng)域。

2.3.2 焊接參數(shù)的選擇

由于產(chǎn)品的尺寸又細(xì)又短，最小的產(chǎn)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(xì)、薄的材料焊接到一起呢，我們?cè)囼?yàn)了很多廠家的激光設(shè)備，以及不同的焊接參數(shù)，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(shè)備，同時(shí)采用直徑為0.2 的光纖兩點(diǎn)焊接，保證產(chǎn)品的一致性、配合尺寸和焊接強(qiáng)度的要求。技術(shù)研發(fā)人員通過(guò)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)，歷時(shí)一年摸索得到的這些工藝、設(shè)備，再加上公司穩(wěn)定的質(zhì)量控制，從而確保了產(chǎn)品的質(zhì)量。

對(duì)于半成品鎢彈簧和鎢芯棒的要求來(lái)說(shuō)，也需要有一個(gè)大的提高，才能滿(mǎn)足高速的激光生產(chǎn)需要，我們進(jìn)口了一些彈簧繞制設(shè)備，加強(qiáng)了上述產(chǎn)品公差的控制，為激光焊接創(chuàng)造良好的條件。

為了防止產(chǎn)品在焊接過(guò)程中的氧化，我們選擇了多種的保護(hù)氣體，如氮?dú)狻⒑?、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(hù)氣體。

2.3.3 加工的設(shè)備

采用激光焊接工藝，將半成品鎢彈簧和鎢芯棒裝入自動(dòng)化設(shè)備后進(jìn)行焊接，焊接成產(chǎn)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(qiáng)度大于2.5 磅，產(chǎn)品無(wú)過(guò)焊、氧化現(xiàn)象。

電極激光自動(dòng)焊接屬于熔融焊接，其優(yōu)點(diǎn):

(1)控制激光能量穩(wěn)定，產(chǎn)品焊接一致性好，質(zhì)量得到保證。

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

(3)激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周?chē)臋C(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件。

(4)電腦控制，可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)出射頭。

(5)焊接后兩個(gè)物品相互熔融，強(qiáng)度好。

設(shè)備原理:該設(shè)備是由激光發(fā)生器和主設(shè)備兩部分組成的，其生產(chǎn)運(yùn)行的速度達(dá)到25 只/分鐘。激光由發(fā)生器內(nèi)的釹(Nd)為激發(fā)元素的釔鋁石榴石晶棒(Nd:YAG)產(chǎn)生1～8 kW 的連續(xù)單一波長(zhǎng)光束。其激光波長(zhǎng)為1.06 um，通過(guò)多道柔性光纖連接到激光出射頭。電極和芯棒在主設(shè)備上進(jìn)行裝配后，運(yùn)行到特定的工位由激光進(jìn)行焊接。其中焊接的參數(shù)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，可以保證電極的焊接強(qiáng)度，彎折強(qiáng)度，焊道無(wú)氣孔及脆化現(xiàn)象。焊接過(guò)程中有CCD設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題。焊接好的產(chǎn)品自動(dòng)落料，節(jié)約了人工。設(shè)備是與日本公司共同開(kāi)發(fā)的，生產(chǎn)效率達(dá)到25PCS/Min，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。目前已經(jīng)有兩臺(tái)設(shè)備(圖1)在生產(chǎn)，為公司取得了大量的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 激光加工設(shè)備

2.3.4 產(chǎn)品種類(lèi)

產(chǎn)品種類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 不同種類(lèi)的部件規(guī)格

2.3.5 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

(1)現(xiàn)已得到了包括美國(guó)GE 公司、美國(guó)SALVANA、荷蘭飛利浦、亞明等多家國(guó)際、國(guó)內(nèi)供應(yīng)商的認(rèn)證，獲得了大量的訂單，同時(shí)又填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電極激光焊接生產(chǎn)的空白，打破了只有少數(shù)幾個(gè)歐美國(guó)家能夠生產(chǎn)該產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，為國(guó)內(nèi)的照明行業(yè)電極生產(chǎn)起到了推動(dòng)作用。

(2)通過(guò)研發(fā)人員的努力，該產(chǎn)品正在申請(qǐng)多項(xiàng)專(zhuān)利。由于電極自動(dòng)激光生產(chǎn)，企業(yè)年增加銷(xiāo)售1 200 萬(wàn)元，利潤(rùn)增加260 萬(wàn)元，增加稅收46 萬(wàn)元。目前粗略估算，公司電極的市場(chǎng)占有率達(dá)到80%以上，可以說(shuō)已經(jīng)占有了國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)。

3 小 結(jié)

綠色照明的發(fā)展對(duì)緩和我國(guó)能源緊張的狀態(tài)，減輕污染是十分重要的，也得到了國(guó)家各項(xiàng)政策的大力扶持。本項(xiàng)目即電極激光焊接，是在現(xiàn)有激光技術(shù)不斷成熟和完善的基礎(chǔ)上，采用高精度的激光焊接新工藝、新設(shè)備和精密模具、焊接技術(shù)，解決該類(lèi)電極產(chǎn)品形位公差等工藝技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)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(kāi)創(chuàng)了新的工藝技術(shù)路線(xiàn)。項(xiàng)目取得了巨大的成功，贏得了國(guó)內(nèi)外的大量客戶(hù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)該產(chǎn)品市場(chǎng)需求量大，發(fā)展前景良好，特別是國(guó)外的市場(chǎng)還有很大的潛力。同時(shí)我們會(huì)繼續(xù)加大科技投人，加大研制開(kāi)發(fā)力度，進(jìn)行汽車(chē)金鹵燈電極的開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)外光源市場(chǎng)的需求，盡快趕超國(guó)際先進(jìn)水平。

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