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    激光傳感器焊接技術

    2006-04-14 控制工程

    摘要:本文了介紹傳感器工作特點和生產傳感器的工藝特點,介紹了激光焊接傳感器的原理和特點,并和其他焊接工藝進行了比較,指出了傳感器焊接方法的發展方向。
    關鍵詞:傳感器、激光、激光焊接、密封焊
        一、傳感器 
        根據國家標準GB7665-87,傳感器定義為:能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件裝置。傳感器作為檢測工具,要求檢測研究對象的物理或化學的信息,其工作過程要求穩定、可靠、精度高,所以對傳感器有以下幾個要求: 
        (1)適應惡劣環境能力強 
        傳感器一般工作環境十分廣,從極寒至酷熱地區,許多在露天環境下工作,能抗飛沙走石、灰塵,還應耐潮濕,較高的抗鹽類腐蝕、酸性腐蝕的能力,有抗污染氣體干擾的能力 
    ,能適應在高溫、極寒、強烈振動、沖擊以及在其他條件下正常工作的能力,還應抗噪聲能力強,信噪比高。 
        (2)價格適中,適于大批量生產。 
        要求傳感器一致性好,適宜自動化批量生產,對加工設備有較高要求,以便排除人工操作帶來的不一致性和失誤。 
        (3)穩定性和可靠性高 
        傳感器是一種高精度檢測儀器,在軍事、航空、航天中應用都有嚴格要求,產品都須經過嚴格測試才能應用。所以傳感器生產是一種高新技術的具體運用和體現。一種傳感器是否有較高的技術附加值體現在所包含的技術含量和加工工藝的技術是否高新。有部分傳感器由于其應用環境的狀況需金屬封裝,一般采用焊接密封,如壓力傳感器、力傳感器、霍爾傳感器、光電傳感器、溫度傳感器等,這類傳感器內部有敏感元件和集成電路,充惰性氣體或抽真空與外界隔絕,有耐壓、氣密性要求,另有焊接強度要求和漏氣率要求,對焊接質量要求高,而且焊接過程中要求變形小,不能對內部元件和微電路有損壞。目前傳感器密封焊接有電阻焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊、電子束焊和激光焊。
        二、激光焊接 
        1、激光焊接原理 
        激光是輻射的受激發射光放大的簡稱,由于其獨有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性,自誕生以來,其在工業加工中的應用十分廣泛,成為未來制造系統共同的加工手段。用激光焊接加工是利用高輻射強度的激光束,激光束經過光學系統聚焦后,其激光焦點的功率密度為104~107W/cm2,加工工件置于激光焦點附近進行加熱熔化,熔化現象能否產生和產生的強弱程度主要取決于激光作用材料表面的時間、功率密度和峰值功率。控制上述各參數就可利用激光進行各種不同的焊接加工。 
        2、激光焊接的一般特點 
        激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝,它與電子束等離子束和一般機械加工相比較,具有許多優點: 
        (1)激光束的激光焦點光斑小,功率密度高,能焊接一些高熔點、高強度的合金材料。 
        (2)激光焊接是無接觸加工,沒有工具損耗和工具調換等問題。激光束能量可調,移動速度可調,可以多種焊接加工。 
        (3)激光焊接自動化程度高,可以用計算機進行控制,焊接速度快,功效高,可方便的進行任何復雜形狀的焊接。 
        (4)激光焊接熱影響區小,材料變形小,無需后續工序處理。 
        (5)激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件。 
        (6)激光束易于導向、聚焦,實現各方向變換。 
        (7)激光焊接與電子束加工相比較,不需要嚴格的真空設備系統,操作方便。 
        (8)激光焊接生產效率高,加工質量穩定可靠,經濟效益和社會效益好。 
        3、激光焊接在傳感器生產中的工藝特點。 
        激光用來封焊傳感器金屬外殼是目前一種最先進的加工工藝方法,主要基于激光焊接有以下特點: 
        (1)高的深寬比。焊縫深而窄,焊縫光亮美觀。 
        (2)最小熱輸入。由于功率密度高,熔化過程極快,輸入工件熱量很低,焊接速度快,熱變形小,熱影響區小。 
        (3)高致密性。焊縫生成過程中,熔池不斷攪拌,氣體易出,導致生成無氣孔熔透焊縫。焊后高的冷卻速度又易使焊縫組織微細化,焊縫強度、韌性和綜合性能高。 
        (4)強固焊縫。高溫熱源和對非金屬組份的充分吸收產生純化作用,降低了雜質含量,改變夾雜尺寸和其在熔池中的分布,焊接過程中無需電極或填充焊絲,熔化區受污染小,使焊縫強度、韌性至少相當于甚至超過母體金屬。 
        (5)精確控制。因為聚焦光斑很小,焊縫可以高精度定位,光束容易傳輸與控制,不需要經常更換焊炬、噴咀,顯著減少停機輔助時間,生產效率高,光無慣性,還可以在高速下急停和重新啟始。用自控光束移動技術則可焊復雜構件。 
        (6)非接觸、大氣環境焊接過程。因為能量來自激光,工件無物理接觸,因此沒有力施加于工件。另磁和空氣對激光都無影響。 
        (7)由于平均熱輸入低,加工精度高,可減少再加工費用,另外,激光焊接運轉費用較低,從而可降低工件成本。 
        (8)容易實現自動化,對光束強度與精細定位能進行有效控制。
        三、激光焊接與現有焊接方法的比較 
    目前傳感器密封焊接采用的方法有:電阻焊、氬弧焊、電了束焊、等離子焊等。 
        1、電阻焊:它用來焊接薄金屬件,在兩個電極間夾緊被焊工件通過大的電流熔化電極接觸的表面,即通過工件電阻發熱來實施焊接。工件易變形,電阻焊通過接頭兩邊焊合,而激光焊只從單邊進行,電阻焊所用電極需經常維護以清除氧化物和從工件粘連著的金屬,激光焊接薄金屬搭接接頭時并不接觸工件,再者,光束還可進入常規焊難以焊及的區域,焊接速度快。 
        2、氬弧焊:使用非消耗電極與保護氣體,常用來焊接薄工件,但焊接速度較慢,且熱輸入比激光焊大很多,易產生變形。 
        3、等離子弧焊:與氬弧類似,但其焊炬會產生壓縮電弧,以提高弧溫和能量密度,它比氬弧焊速度快、熔深大,但遜于激光焊。  
        4、電子束焊:它靠一束加速高能密度電子流撞擊工件,在工件表面很小密積內產生巨大的熱,形成“小孔”效應,從而實施深熔焊接。電子束焊的主要缺點是需要高真空環境以防止電子散射,設備復雜,焊件尺寸和形狀受到真空室的限制,對韓件裝配質量要求嚴格,非真空電子束焊也可實施,但由于電子散射而聚焦不好影響效果。電子束焊還有磁偏移和X射線問題,由于電子帶電,會受磁場偏轉影響,故要求電子束焊工件焊前去磁處理。X射線在高壓下特別強,需對操作人員實施保護。激光焊則不需真空室和對工件焊前進行去磁處理,它可在大氣中進行,也沒有防X射線問題,所以可在生產線內聯機操作,也可焊接磁性材料。
        四、激光焊接在傳感器生產的應用前景 
          激光焊接技術是一種高新技術,由于其獨有的特點,特別適合在傳感器密封焊中使用,目前國外許多生產傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產傳感器,而國內采用此工藝的廠家不多,主要是一些生產軍用傳感器產品的廠家和部分科研機構在采用此種工藝,且采用國外激光焊接機的較多。目前國內激光焊接機在性能上已和國外產品相差不遠,完全可以勝任國內生產傳感器的工藝要求,但價格是國外同類產品的1/3-1/5。為提高國內傳感器整體水平以及發展民族激光產業,我國的傳感器生產廠家應盡快采用國產激光焊接機來生產加工傳感器,以增加產品競爭力,開拓國際市場。


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