模具焊接機(jī)的焊接工藝及技巧

1、模具焊接機(jī)的焊接工藝及技巧武漢華工激光工程有限責(zé)任公司顏業(yè)志徐瑜一、 模具焊機(jī)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用及特點(diǎn) 首先要了解模具缺陷的產(chǎn)生基本上是鑄造過(guò)程中出現(xiàn)的沙眼、氣孔；材料加工硬化和表面殘余應(yīng)力影響零件疲勞強(qiáng)度導(dǎo)致的裂痕；機(jī)加工過(guò)程中的失誤導(dǎo)致的邊、角缺損,劃痕等幾類(lèi)因素造成。激光相對(duì)傳統(tǒng)模具焊接的優(yōu)勢(shì)大致和應(yīng)用在其他行業(yè)的優(yōu)勢(shì)類(lèi)似，熱影響小，加工件不易變形，準(zhǔn)確度高，氬氣保護(hù)后氧化率低，工件不變色，在修補(bǔ)模具小面積裂痕、崩角、飛邊、復(fù)雜角度的沙孔等部位比傳統(tǒng)的氬弧焊優(yōu)勢(shì)明顯。氬弧焊由于焊接熱影響大這個(gè)先天的缺點(diǎn)導(dǎo)致幾乎不能焊接以上特點(diǎn)的缺陷，這方面激光是不可替代的。 但是由于機(jī)器相對(duì)氬弧焊的不靈活性

2、，一些大型的模具并不適合激光焊，激光更多的用在修補(bǔ)大型模具的零部件和些手機(jī)、塑膠模具及類(lèi)似其大小和精度的模具。往往一個(gè)很小的邊角缺損以前要報(bào)廢的用激光修補(bǔ)后可正常使用，幾個(gè)焊點(diǎn)可挽回幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)的損失。所以這也決定了模具修補(bǔ)行業(yè)低投入高回報(bào)的特點(diǎn)。二、 模具焊機(jī)的方案制訂過(guò)程在經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研了解到模具補(bǔ)焊的行業(yè)前景后,我們提出了制造模具焊機(jī)的方案,基本思路是在原點(diǎn)焊機(jī)的基礎(chǔ)上改型.其中幾個(gè)重點(diǎn)部分是:為了能適應(yīng)高強(qiáng)度,高硬度材料的補(bǔ)焊,要大幅度的提高激光能量;由于有些體積較大的模具,激光腔體要做成懸臂式;為了保證焊點(diǎn)的連續(xù)性和均勻性要增加放置模具的二維工作臺(tái),而不是以前點(diǎn)焊機(jī)的基本用手的定位方

3、式.三、 激光焊接的分類(lèi)及原理根據(jù)激光對(duì)工件的作用方式或激光束的輸出方式的不同,可以把激光焊分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊，前者形成一個(gè)個(gè)圓形焊點(diǎn)，后者形成一條連續(xù)的焊縫.脈沖焊接時(shí)輸入到工件上的能量是斷續(xù)的，脈沖的。脈沖激光焊中大量使用的脈沖激光器主要是YAG激光器。YAG激光器使用的重復(fù)頻率寬。還可以將連續(xù)輸出的YAG激光器和CO2激光器通過(guò)打開(kāi)或者關(guān)閉裝在激光器上面的光閘來(lái)用于脈沖焊接。若根據(jù)激光焊時(shí)焊縫的形成特點(diǎn)又可把激光焊分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊（小孔激光焊）。模具焊接屬于脈沖激光焊中的熱傳導(dǎo)焊，其原理是當(dāng)激光功率密度小于105W/cm2時(shí)，激光將金屬表面溫度升高而熔化，從微觀(guān)上來(lái)講，激光吸

4、入金屬材料的深度只限于表面下的10-5cm，光子的能量主要被導(dǎo)電電子所吸收，電子在10-1110-10S內(nèi)將能量傳給晶格，在時(shí)間大于10-9S以后便可以認(rèn)為電子氣溫度相等了，從而建立起金屬表面的總溫度T的概念。所以激光對(duì)金屬的加熱可以看作是一種表面熱源，在表面層光能變?yōu)闊崮埽蚪饘偕钐巶鞑プ裱话愕臒醾鲗?dǎo)規(guī)律，其然后通過(guò)熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)域逐漸擴(kuò)大，凝固后形成焊點(diǎn)，熔深輪廓近似為半球形，其特點(diǎn)是使用激光光斑功率密度小，很大一部分光被金屬表面所反射，光的吸收率較低，溶池形成時(shí)間長(zhǎng)，且熔深淺，多用于小型零件的焊接。 當(dāng)能量一定的激光照射到材料表面時(shí)，部分能量被反射，部分能量被吸

5、收，對(duì)于透明材料就還有部分能量被透射。對(duì)于金屬材料而言透射率為零，加上照射的總能量不變，所以如果材料的反射率增加就會(huì)降低吸收率，反之也成立。 我們?cè)谟眉す獯驑?biāo)或焊接樣品時(shí)，經(jīng)常碰到Au,Cu或亮度很高的不銹鋼等材料，這類(lèi)材料是自身的反射率高于其它材料或者表面粗糙度很小造成的高反射率。高的反射率決定了相對(duì)較低的吸收率，所以通常我們加大激光能量來(lái)達(dá)到要求的效果。當(dāng)然還有其它的解決方法就是如果是材料自身的反射率高可以用更小波長(zhǎng)如532nm的脈沖激光焊接銅等高反材料，因?yàn)榻饘俨牧系姆瓷湎禂?shù)及所吸收的光能取決于激光輻射的波長(zhǎng)，激光器輻射波長(zhǎng)越短,金屬的反射系數(shù)就越小,所吸收的光能就越多，這個(gè)應(yīng)用在國(guó)外很

6、常見(jiàn)，這也是激光焊接發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。如果是鋼鐵材料表面粗糙度導(dǎo)致的高反射率,對(duì)紅外波長(zhǎng)的激光反射率也很高,給激光加工帶來(lái)不利的一面,但鋼鐵工件表面經(jīng)黑化處理后,提高它的吸收率，能吸收80%以上的激光功率. 四、 激光焊接的工藝參數(shù)調(diào)整l 脈沖能量脈沖能量反映在我們點(diǎn)焊機(jī)上的參數(shù)就是調(diào)整電壓,它決定了加熱能量的大小,主要影響金屬的熔化,當(dāng)能量增大時(shí),焊點(diǎn)的熔深和直徑增加,還有些平時(shí)我們忽略的問(wèn)題,大的電壓相對(duì)大脈寬而言焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)更致密,很多地方我們要借鑒這個(gè)規(guī)律(例如焊PT料的首飾的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是電壓400V,脈寬2MS,如果在保證輸出總能量不變的基礎(chǔ)上調(diào)小電壓增加脈寬,就會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)打磨拋光后有

7、時(shí)有氣孔,照原理來(lái)講氣孔大部分是熔深不夠造成,而且脈寬對(duì)熔深的影響更大才對(duì),但是更深層的想大脈寬小電壓會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)密度小結(jié)構(gòu)疏松,這正提高了氣孔產(chǎn)生的幾率)由于光脈沖能量分布不均勻性,最大熔深總是出現(xiàn)在光束的中心部位,光斑的外圈部分能量相對(duì)較弱所以焊點(diǎn)直徑總是小于光斑直徑,在很多精密焊接的時(shí)候我們要考慮到可見(jiàn)焊點(diǎn)以外的熱影響區(qū)(例如焊鑲寶石的戒指時(shí)要設(shè)的焊點(diǎn)盡量的小而且離寶石要有一定距離,否則外圈部分能量加上本來(lái)就存在的熱影響會(huì)破壞寶石的晶體結(jié)構(gòu);焊模具的薄面和邊角時(shí)也要注意,不是把焊點(diǎn)對(duì)齊邊角.而是保證熔化焊絲后的焊點(diǎn)離邊角一定的距離)l 脈沖寬度脈沖寬度主要影響熔深,當(dāng)脈沖能量一定時(shí),調(diào)節(jié)脈

8、沖寬度可以獲得一個(gè)最大的熔深,此時(shí)為最佳的脈沖寬度.它影響熔深的同時(shí)也影響焊料和工件基材的焊接強(qiáng)度,當(dāng)脈沖寬度增加是脈沖能量也隨之增加,在一定范圍內(nèi),焊點(diǎn)熔深和直徑也增加,因而接頭強(qiáng)度隨之也增加,然而當(dāng)脈沖寬度超過(guò)一定的值以后,一方面熱傳導(dǎo)所造成的熱損耗增加;另一方面,強(qiáng)烈的蒸發(fā)最終導(dǎo)致了焊點(diǎn)截面積減小,接頭強(qiáng)度下降.大量研究和實(shí)驗(yàn)證明脈沖激光焊接的脈寬的范圍在110ms.但是這個(gè)參數(shù)只是保證了熔深，很多時(shí)候?qū)θ凵畹囊蟛桓?，?duì)焊接后熔池的要求比較高。（例如高爾夫球頭的補(bǔ)焊，如果焊接后的熔池下陷就要用比較深的研磨量，這個(gè)時(shí)候雖然你補(bǔ)焊的地方?jīng)]問(wèn)題了，但是由于鑄造的缺陷導(dǎo)致表層下沒(méi)發(fā)現(xiàn)的沙孔很有

9、可能被磨出來(lái)，反復(fù)的補(bǔ)都不定能補(bǔ)好，在反復(fù)的研磨過(guò)程中球頭的外型已經(jīng)超過(guò)了誤差的范圍，只能報(bào)廢。這個(gè)問(wèn)題很多時(shí)候能通過(guò)增大脈寬來(lái)解決）。所以說(shuō)在能保證熔深的情況下增加脈寬象前面說(shuō)的能夠減小焊接部分組織的密度，沒(méi)被汽化的材料會(huì)由于熱效應(yīng)稍微突出于工件，這樣就能用很小的研磨量不會(huì)磨出其它的沙孔。l 脈沖波形我們機(jī)器上的波形參數(shù)，F(xiàn)RONT ，BACK，ALL分別代表了前置波，后置波和前后置都有的波形。從原理上來(lái)解釋前置波有利于工件的迅速預(yù)熱，可以改善材料的吸收性能，提高能量的利用率，后置波可以起到熔化后保溫的作用，對(duì)于某些易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋的材料有很大幫助。但是我們的電源由于是電壓的控制方式,并

10、沒(méi)有脈沖波形的控制,面板上的波形參數(shù)是沒(méi)作用的.我注意到國(guó)內(nèi)同行的設(shè)備和國(guó)外的設(shè)備上面都有此參數(shù)而且針對(duì)不同材料有不同波形,所以我認(rèn)為波形參數(shù)在焊接工藝中是很重要的.我們現(xiàn)在的新型電源有這個(gè)功能,如何運(yùn)用進(jìn)去是我們下階段改進(jìn)的重點(diǎn).l 離焦量一定的離焦量可以使光斑能量的分布相對(duì)均勻，同時(shí)也可以獲得合適的功率密度。盡管正負(fù)離焦量相等時(shí)相應(yīng)平面上的功率密度相等，然而，兩種情況下所得到的焊點(diǎn)形狀卻不相同。負(fù)離焦時(shí)小孔內(nèi)的功率密度比工件表面的高，蒸發(fā)更加劇烈，因此，要增大熔深時(shí)可以采用負(fù)離焦；而焊接薄材料時(shí)，則易采用正離焦。由于熔深大時(shí)能量輕微的波動(dòng)并不明顯，所以相對(duì)能量比較穩(wěn)定，也可以理解為在負(fù)離焦

11、時(shí)焦點(diǎn)不是很敏感，反之正離焦相對(duì)負(fù)離焦的焦點(diǎn)更敏感些。還有一點(diǎn)是我這段時(shí)間自己感受到的區(qū)別，沒(méi)得到充分驗(yàn)證的。正離焦的焊點(diǎn)中間凸出邊緣凹陷，負(fù)離焦的焊點(diǎn)中間凹陷而邊緣相對(duì)正離焦凹陷的較少，象剛才提到的補(bǔ)焊高爾夫球頭增加脈寬的工藝如果采用負(fù)離焦應(yīng)該不用很大的脈寬就能達(dá)到效果，這個(gè)也能應(yīng)用到模具的焊接中。l 功率密度在脈沖激光焊接中，合理的控制輸入到焊點(diǎn)的功率密度能夠避免焊點(diǎn)金屬的過(guò)量蒸發(fā)和燒穿，這就是我們所說(shuō)的飛濺。通過(guò)激光斑點(diǎn)上的功率密度公式我們可以很直觀(guān)的了解到功率密度可以通過(guò)改變脈沖能量，脈沖寬度，光斑直徑和激光模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)相關(guān)性很強(qiáng)的參數(shù)，需要所有參數(shù)配合調(diào)，要一定的經(jīng)驗(yàn)積累。l

12、 保護(hù)氣體在焊接過(guò)程中保護(hù)氣體起的作用是防止被焊部分氧化從而減小氣孔產(chǎn)生的幾率，抑制激光輻射過(guò)程中在熔池上部形成的等離子云的負(fù)面效應(yīng)從而增加熔深。在模具補(bǔ)焊過(guò)程中氣嘴一般是逆著工作臺(tái)移動(dòng)的方向，與被焊面呈30度到45度的夾角，吹氣量用手感覺(jué)稍微有點(diǎn)氣流即可。但是有時(shí)需補(bǔ)焊的位置不能滿(mǎn)足吹氣方向和夾角，這是需相應(yīng)打大氣流以達(dá)到比較好的效果。氣體的種類(lèi)一般是氦氣,氬氣和氮?dú)?其保護(hù)效果遞減,但是由于氦氣價(jià)格非常昂貴,一般不采用,氬氣比氮?dú)庵毁F幾十塊,但是能得到比氮?dú)夂玫亩嗟男Ч腿凵?所以我們一般用氬氣做保護(hù)氣.五、 模具焊接的基本知識(shí)及技巧修補(bǔ)模具小面積裂痕、崩角、飛邊、復(fù)雜角度的沙孔.國(guó)內(nèi)模具

13、生產(chǎn)廠(chǎng)家大多用S136、2311、2344、718HH、2767、P20、NAK80、638、MUP、8407、888，H13等進(jìn)口特殊模具鋼，有些經(jīng)過(guò)高溫淬火，硬度大大高于普通鋼材，而且焊接后有時(shí)要用電火花加工，對(duì)焊接強(qiáng)度有很高的要求。這樣就要求較高的單脈沖能量，較好的光束質(zhì)量。選擇合適的焊絲有利于保證焊接后的高強(qiáng)度、高硬度、高穩(wěn)定性。材料無(wú)法對(duì)應(yīng)的焊絲我們往往選擇硬度相近或型號(hào)接近的相應(yīng)材料焊絲修補(bǔ)，也可取得不錯(cuò)的效果。在焊接參數(shù)上采用高脈寬低頻率，有利于焊接后的牢固性和焊接時(shí)的精確度。以下是焊絲所對(duì)應(yīng)材料及其硬度的資料,粗體部分是比較常用的焊絲. 型號(hào)適用范圍硬度LaserMold 10

14、用于切削，拉伸及彎曲的工具鋼中，如1.2379，SKD11,8407,HPM31,GGG70L GG25保證鋒邊，刃口的高穩(wěn)定性。產(chǎn)口對(duì)模具有腐蝕性，或?qū)δ＞邠p害較大的，如尼龍加玻纖材料。55-60LaserMold15用于切削拉伸以及彎曲的工具鋼中，如1.2379，適用于手工件經(jīng)受撕裂磨損，經(jīng)受重負(fù)荷的場(chǎng)合。58-60LaserMold20用于拉伸，彎曲以及可塑性的工具鋼中，因焊接后具有高抗性，故可以避免焊料的磨損和破裂。40-45LaserMold50這是一種常用的用于注塑模具的焊絲，如1.2767，718，SKD61，P20型號(hào)的鋼材50-58LaserMold55這是一種復(fù)合型的焊絲材

15、料，可以同時(shí)用于冷，熱工作鋼中，如：1.2343，1.2344，1.2767S55C。 SKD61,KP4M等高性能的鋼材，也可用于修補(bǔ)壓鋁模具以及鑄鋁模具，焊接牢固不易脫落，可以進(jìn)行大面積焊接40-45LaserMold 60這種焊絲可以用于無(wú)裂縫產(chǎn)生的工件中，例如可以在熱工作鋼中使用。焊接硬度比較低。35-40LaserMold65這種焊絲具備較高的韌性，特別適用于焊接熱工作鋼如，1.2343，1.2344，焊接后的區(qū)域不易磨損。45LaserMold70/12這是一種特殊的焊絲，用于壓鑄模具的修補(bǔ)中，具有較高的焊接硬度和良好的堆焊性能。40-50LaserMold90這種焊絲普遍用于壓注

16、模具中，如：HPM50，1.2311，1.2738，S13645 模具行業(yè)的焊接工藝我們首先要了解模具的材料及焊接后的加工要求。其用的高強(qiáng)度高硬度材料決定了用很高的能量參數(shù)才能達(dá)到焊接后的要求，并且它的高精度要求除焊接外的表面不能有加工量，比方說(shuō)一個(gè)邊的兩個(gè)面加工精度為兩個(gè)絲，但它只缺了邊的一小塊，加焊絲后要焊接面特別是焊接面的邊緣要高于未焊接的平面，一般正常參數(shù)的焊接在焊點(diǎn)的周?chē)鷷?huì)有融池下陷，用大于十的脈寬可以解決這個(gè)問(wèn)題。電壓的調(diào)整以能完全熔化相應(yīng)直徑的焊絲為標(biāo)準(zhǔn)。頻率用的基本比較低，是為了達(dá)到比較精準(zhǔn)的焊接。離焦量在保證光斑大于焊絲直徑的基礎(chǔ)上盡量的小，也是為了使焊接精準(zhǔn)，并且頻率高后單

17、脈沖能量下降很多，達(dá)不到焊接的能量要求。 焊接的種類(lèi)主要是邊，角的缺損和深槽內(nèi)的缺陷。這些從焊接難度上來(lái)講都是遞增的。焊邊一般是把邊頂在最上，就是保證兩個(gè)邊的面和工作臺(tái)成四十五度角，確定邊平行于工作臺(tái)的X或Y軸平行后，焊的同時(shí)用拿焊絲以外的手移動(dòng)工作臺(tái)，以邊焊到高于兩個(gè)面為標(biāo)準(zhǔn)，如果很小的缺損放成四十五度焊一次即可，若缺損大就需要把兩個(gè)面分別放水平再加焊絲，最后要仔細(xì)的觀(guān)察焊接邊的兩個(gè)角是否有凹陷，因?yàn)檫叺淖顑蛇叺膬蓚€(gè)焊點(diǎn)會(huì)讓最兩邊有所凹陷，一般是無(wú)法避免的，這時(shí)需要用更細(xì)的焊絲（直徑0.2MM）以下。用小能量小光斑修補(bǔ)，最終能達(dá)到理想的效果；焊角就相當(dāng)于焊三個(gè)邊，有時(shí)是單純的角缺一個(gè)尖可以用細(xì)焊絲直接焊一點(diǎn)，這種焊接對(duì)角的熱影響相對(duì)補(bǔ)邊時(shí)較小，可以不用單獨(dú)再用低能量補(bǔ)角，在焊好研磨后如果出現(xiàn)焊點(diǎn)邊緣凹陷的情況,有三個(gè)方法可以解決,如果焊絲大于0.3MM可以把脈寬打到十幾毫秒,這時(shí)整個(gè)焊點(diǎn)會(huì)有突起的效果,減小凹陷;用0.2MM以下的焊絲就可適當(dāng)降低脈寬，此時(shí)的熱影響比大脈寬時(shí)小很多,凹陷的情況也得到很大的改善,而且能得到比較