激光焊接鋁合金電視機(jī)面框

姚國紅，萬 虎 ，劉 勇 ，周朝軍

（1.四川長虹電器股份有限公司 工程技術(shù)中心，四川 綿陽 621000；2.四川長虹電器股份有限公司 工程技術(shù)中心深圳分部，廣東 深圳 518107）

0 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、散熱性好、成形性好、外觀美觀及低溫性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品上[1]。鋁合金電視機(jī)面框既能滿足電視機(jī)產(chǎn)品輕薄化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，又能滿足高檔次金屬質(zhì)感、有多種色彩可選擇的外觀需求。

1 鋁合金電視面框工藝現(xiàn)狀

目前市面上常見的平板電視鋁合金面框連接工藝有鎖螺絲連接、鉚釘鉚接、氬弧焊焊接、激光焊接（Laser Welding）等。鎖螺絲和鉚釘鉚接工藝要求鉚接的材料部位需要有一定的厚度，相應(yīng)的要有一定數(shù)量螺絲牙或是鉚接厚度才能實(shí)現(xiàn)一定強(qiáng)度，所以鎖螺絲或是鉚釘鉚接的工藝較難實(shí)現(xiàn)超薄設(shè)計(jì)的需求。氬弧焊焊接強(qiáng)度強(qiáng)，但是自動(dòng)化程度低、對(duì)材料影響較大，在鋁合金材料背面進(jìn)行焊接，高溫對(duì)焊縫影響明顯，在外觀表面因高溫出現(xiàn)的表面焊疤明顯且難以去除，只能通過噴漆的方式遮蓋，掩蓋了鋁合金能夠陽極氧化多色彩的優(yōu)點(diǎn)。

鋁及鋁合金激光焊接技術(shù)是近十幾年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，具有有以下優(yōu)點(diǎn)：①能量密度高，熱輸入低，熱變形量較小，熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄，但是熔深比較大；②冷卻速度高，獲得的焊縫組織微細(xì)，焊接接頭性能較好；③與接觸電阻點(diǎn)焊相比，激光焊不用電極，減少了工時(shí)和成本，且易于標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化；④不需要電子束焊時(shí)的真空環(huán)境，且保護(hù)氣和壓力可選擇，被焊工件的形狀不受電磁影響，過程中不會(huì)產(chǎn)生X射線；⑤激光可用光導(dǎo)纖維進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，從而使工藝適應(yīng)性好，配合計(jì)算機(jī)和機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化與精密控制[2]。

2 激光焊接技術(shù)原理

激光焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的連接，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。在較高的功率密度的激光作用下，材料直接汽化由此形成了孔穴。這個(gè)充滿氣態(tài)金屬的孔穴幾乎吸收了入射光束的全部能量從而形成高溫，熱量從這個(gè)高溫孔穴中傳導(dǎo)出來，熔化孔穴四周的金屬。孔穴內(nèi)的金屬在激光的照射下連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，孔穴由熔融金屬包圍著，熔融的液態(tài)金屬外面又是固體鋁材，融化的液態(tài)金屬流動(dòng)和孔穴內(nèi)壁表面張力與孔穴內(nèi)產(chǎn)生的金屬蒸汽壓力相持最終維持著一定的平衡。激光能量連續(xù)照進(jìn)孔穴內(nèi)，孔穴四周熔融的鋁合金在連續(xù)流動(dòng)，激光的光斑向前移動(dòng)，融化形成的孔穴四周一直處于平衡狀態(tài)。即高溫形成的孔穴和孔穴四周有高溫的熔融鋁合金隨著激光的光斑移動(dòng)而移動(dòng)，隨后熔融的鋁合金又填入光斑移動(dòng)開后留下的縫隙中，然后又迅速冷凝，就形成了焊縫[3]。

3 電視機(jī)鋁合金面框激光焊接設(shè)計(jì)技術(shù)要求

電視機(jī)面框朝著超窄、超薄的方向發(fā)展，要求鋁合金面框具有以下特點(diǎn)：所用材質(zhì)和整體設(shè)計(jì)??；有較高的強(qiáng)度，能夠滿足電視機(jī)面框的運(yùn)輸、裝配和電視機(jī)強(qiáng)度測試的要求；在所有工藝完成之后進(jìn)行激光焊接，激光焊接不能對(duì)外觀造成任何影響。

3.1 激光設(shè)備

目前應(yīng)用的激光器主要是CO2和YAG激光器。CO2激光器功率大，適合于要求大功率的厚板焊接。YAG激光功率較小，鋁合金表面對(duì)YAG激光束的吸收率相對(duì)CO2激光較大，可用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)，適應(yīng)性強(qiáng)，工藝安排簡單。因此采用YAG激光器焊接。

3.2 技術(shù)要點(diǎn)

（1）離焦量。

離焦量指焦點(diǎn)偏離工件的距離，實(shí)質(zhì)是改變激光照射到工件表面的能量密度。離焦量的參數(shù)有兩種：激光的焦點(diǎn)位于工件表面上方即為正離焦，位于工件表面的下方則為負(fù)離焦。激光的焦點(diǎn)處能量最高，離焦量的大小決定了作用于材料表面光斑的直徑和能量的大小，從而影響融斑和熔深的大小。當(dāng)正負(fù)離焦量的絕對(duì)值相等時(shí)，作用于工件表面的能量密度相同，但一般情況下負(fù)離焦量時(shí)作用于工件內(nèi)部功的能量大于表面，激光焦點(diǎn)處的能量最高，能夠獲得更大的熔深。

由于不同的激光器發(fā)射出的激光有差異，在焊接時(shí)對(duì)離焦量的要求也是不一樣的。在使用500W的YAG激光器焊接鋁合金電視面框時(shí)采用的是-0.4mm的離焦量，以確保一定的熔深且不會(huì)出現(xiàn)焊穿的現(xiàn)象而影響鋁合金正面表面處理的效果[4]。

（2）焊接速度。

焊接速度直接影響型材熔深的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。為提高生產(chǎn)效率一般會(huì)提高焊接速度。提高焊接速度，能夠穩(wěn)定激光小孔，但是激光作用于材料表面的能量就會(huì)減小，從而減小焊縫熔深，而且焊接速度太快，會(huì)導(dǎo)致熔滴過渡不穩(wěn)定，引起熔池的不穩(wěn)定；相反降低焊接速度能夠增加作用于工件上的能量，從而加大熔深，提高焊接強(qiáng)度，但降低焊接速度會(huì)直接影響焊接的效率，且若是焊接速度過低，到一定極限之后熔深就不會(huì)再加深，只會(huì)增加熔寬，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，造成金屬飛濺，甚至有可能造成焊穿，破壞電視機(jī)面框的外觀面的效果。

使用500 W YAG的激光器對(duì)6063鋁型材進(jìn)行焊接，通過對(duì)比不同焊接速度下的焊縫形態(tài)和強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)：在焊接速度為1.15 m/min時(shí)，熔滴過渡不是穩(wěn)定的射滴過渡；在焊接速度為0.5m/min時(shí)，沒有觀察到小孔的存在，激光小孔由于不能夠維持自身的平衡，發(fā)生坍塌，出現(xiàn)正面焊穿的現(xiàn)象；在焊接速度為0.8 m/min時(shí)，焊縫和焊接的過程都很穩(wěn)定[5]。

（3）激光光束與所焊平面的相對(duì)傾斜角度。

鋁合金對(duì)激光的吸收能力很差，對(duì)YAG的激光反射率高達(dá)80%以上，所以激光光束與所焊平面相對(duì)傾斜一定的角度既能防止鋁合金將激光反射回來損傷光鏡，又能減少等離子體對(duì)激光能量的吸收，提高激光能量的利用率。但該角度不能過大，否則會(huì)使激光光斑作用在熔融金屬上，減少熔深，影響焊接強(qiáng)度。在焊接電視機(jī)鋁合金面框時(shí)，采用激光光束與所焊平面相對(duì)傾斜30°的角[6]。

（4）機(jī)械手行程的控制。

焊縫走向及位置是機(jī)械手姿態(tài)控制的難點(diǎn)。鋁合金電視機(jī)面框焊接處為四個(gè)角，平面和垂直方向，需要焊接的行程較短，僅需控制好機(jī)械手行程防止機(jī)械手行走時(shí)的抖動(dòng)，從而避免影響焊接和送絲的不穩(wěn)定性，防止假焊、焊料堆積、縮孔和其他焊接缺陷。

（5）保護(hù)氣體。

鋁合金在空氣中非常容易氧化，為了提升鋁合金的激光焊接強(qiáng)度，在焊接時(shí)采用氦氣或是氬氣作為保護(hù)氣體，能夠得到美觀的焊縫及防止氧化物的夾雜[7]。

4 電視機(jī)鋁合金面框激光焊接工藝

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（1）兩根型材的筋邊與筋邊加工后激光焊接的拼合縫隙應(yīng)小于等于0.2mm，避免縫隙過大導(dǎo)致漏焊、虛焊。

（2）放置焊片的凹槽深度為0.8~1.0 mm，相應(yīng)焊片厚度也為0.8~1.0 mm，放置焊片的凹槽與筋之間的間距L應(yīng)大于等于1.5 mm，如圖1所示。如果激光焊接的焊縫處離邊緣太近，既容易影響焊縫的形成，又影響焊接效率。由于激光焊接時(shí)激光頭與焊接處要保持一定的角度，如果需要焊接處與垂直的筋邊靠得太近，筋邊可能會(huì)影響激光的路徑，要對(duì)此位置進(jìn)行焊接，必須再次轉(zhuǎn)換激光頭的角度，從而影響了激光焊接的效率。

圖1 焊接處與筋邊間隙示意

（3）如圖2所示，焊片與放置焊片凹槽最佳為過緊配合，焊片與凹槽邊緣的間隙L2應(yīng)控制在0.10～0.15 mm，放置間隙過大會(huì)造成虛焊、漏焊、擊穿型材的現(xiàn)象。

（4）如圖3所示，型材立邊的筋與筋之間拼接的間隙L3應(yīng)為0.1~0.15 mm，防止間隙過大造成虛焊或是漏焊。

4.2 焊接工藝要求

（1）如圖4所示，將工件需要激光焊接的坡口設(shè)計(jì)成斜30°角，這樣激光束能在空隙中多次反射，形成一個(gè)人工小孔，從而增加激光束的吸收率[8]。

（2）將型材開為帶有仿T型槽的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。采用仿T型焊片能夠大幅度提升焊接強(qiáng)度，焊片結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖2 焊片與母材的拼縫示意

圖3 筋與筋的拼縫示意

圖4 焊片與母材坡口示意

圖5 型材結(jié)構(gòu)示意

圖6 焊片結(jié)構(gòu)示意

5 激光焊接在未來家電產(chǎn)品上的發(fā)展

采用YAG激光由光纖傳導(dǎo)機(jī)械手帶動(dòng)和跟蹤器聯(lián)動(dòng)的方式，可以滿足鋁合金電視機(jī)面框超薄、超窄的設(shè)計(jì)要求，能夠保證焊接過程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的一致性，同時(shí)提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，具有推廣意義。

[1]潘復(fù)生.鋁合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]張文毓.鋁合金焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].輕金屬，2010（4）：53-56.

[3]彭善德.鈦合金激光搭接焊及數(shù)值模擬[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[4]許良紅.激光-MIG復(fù)合焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫形狀的影響[J].應(yīng)用激光，2006（1）：5-9.

[5]劉志華，趙 兵，趙 青.21世紀(jì)航天工業(yè)鋁合金焊接工藝技術(shù)展望[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2002，259（5）：63-68.

[6]劉 嘉，殷樹言.鋁及鋁合金焊接新技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2006（5）：7-8.

[7]曹麗杰.鋁及鋁合金激光焊接特性[J].新技術(shù)新工藝·熱加工工藝技術(shù)與材料研究，2008（8）：58-60.

[8]牛連山，胡慶春.鋁及鋁合金的焊接方法[J].油氣管道安全，（?？?17-219.