Transcript 激光焊接机原理分析及维护

激光焊接机原理
分析及维护
年
级: 08级电子1班
演讲: 曹 学 玲
教师: 李
莉
摘要
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随着锂电池的快速发展，锂电池的外壳质量工艺也越来越严，尤其在外壳焊接技
术方面。通过本文对激光焊接机的设备结构和设备参数进行了分析，介绍了整个
设备的工作原理及在日常运行中的作用，并且对设备出现的的故障与维护进行了
介绍与分析，主要是为了让使用者了解他的构造、原理，合理使用设备，进而更
好的维护、保养设备。
在日常的工作过程中，工作人员每天都要对设备进行清洁及检查，每天早晨上班
到达各自得工作岗位，首先对设备进行简单清洁，之后对设备进行初步检查，看
看它的外表是否有损坏，然后我们再启动设备看设备是否能够正常运行，做到及
时发现问题及时解决问题，这样可以保证设备在每一天正常得运行，保证车间生
产正常运作，在检查完之后，我们还要不间断得巡查设备，因为设备总会在不经
意间出现一些问题，比如，元件用得久了，可能会报废，就会影响生产的正常运
作。所以，当设备出现问题时，我们要用所学到的技术，对设备问题进行判断，
提出解决办法，维修设备。在日常运行中，维护与保养尤其重要，本文也对这方
面的知识进行了介绍。
本文共分四大部分，第一部分对激光焊接机原理进行简单的介绍，第二部分对光
纤焊接机的设备组成、工作原理进行了分析，第三部分则是介绍了设备的参数设
置，第四章则是设备的故障分析及维护，由文章可以看出整个设备在日常运行中
最重要的就是设备的维护与保养，只有维护保养到位，设备才能正常工作，否则
它会出现各种故障，影响车间的正常生产。
激光焊接机的工作原理
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光的本质是一种电磁波，它既有微粒特性又具有波动特性。激光与普通光一样也是电磁波，它的历史年代可以追溯到
1917年，爱因斯坦在他的经典著作“关于辐射的量子理论”中第一次提出了受激发射的概念，论证了受激发射、自发发
射和光吸收之间的关系，这些基本理论为以后的激光发展提供了理论基础。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷
却结晶形成焊接。激光焊接的机理有两种：
1、热传导焊接
当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以
热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。
2、激光深熔焊
当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸
汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人
更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。
这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种
方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激
光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。
传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能
量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方
式向另一种方式转变，即在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。
原理示意图
焊 头
高压激光发生器
灯管
光纤
高压
发射
凸透镜
H2O
凸透镜
激光 工
作台工
作
激光焊接机的种类
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激光焊接机又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、
自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机。光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小
区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到
焊接的目的。这里主要介绍自动激光焊接机。
（1）激光模具烧焊机
手机、数码产品、汽车及摩托车等模具制造和成型行业的模具修补，也多用于手工焊接。
（2）自动激光焊接机
适用于金属工件的直线、圆周等自动焊接，常用于手机电池、首饰、电子元件、传感器、钟表、精密机
械、通信、工艺品等行业。
更适用于同时焊接两个位置，如电阻、电容等电极的特殊焊接工艺。
（3）激光点焊机
可用于金银首饰、电子元器件补孔、点焊砂眼、焊镶口等。
（4）光纤传输激光焊接机
有光束质量好，光斑细等优点。适用于微电子元件、精密零件、高档数码组件、光纤连接器、医疗器械
等焊接。 专用激光焊接机
（5）传感器焊接机
专门为各种水下传感器、温度传感器、特种传感器的密封焊接。
激光焊接机的优点
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激光具有单色性好，方向性强、亮度高的特点，对生物组织的作用有光效应、热效应、压力效应和电磁
效应。各种激光器被广泛应用在医学领域中，它们不仅是医学研究的有力工具，也在疾病诊断、治疗等
方面获得了极为广泛的应用，成为人类战胜疾病的又一武器。
激光焊接的优点：
激光焊接是工业加工中广泛使用的一种加工技术，与传统的焊接方法相比，激光焊接具有很多优异的特
性：
（1）焊接强度高，焊缝强度高于母材。所加工的产品具有高度耐磨性和高红硬性、良好的疲劳韧性，
使用寿命长，焊缝美观、漂亮。
（2）激光焊能量密度大（大于105W/cm2），作用时间短，热影响区（仅为焊缝宽度的10%~20%）和
变形小，可在大气中焊接，而不需气体保护或真空环境。
（3）激光焊接速度快，效率高，一般可以达到10米/分钟，配以先进光学系统，激光束能轻易实现按时
间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，循环工作，从而大大提高工作效率，满足大批量
订单的要求。
（4）激光束可用反光镜改变方向，焊接过程中不用电极去接触焊件，因而可以焊接一般电焊工艺难以
焊到的部位。
（5）激光可对绝缘材料直接焊接，焊接异种金属材料比较容易，特别适宜于难熔金属，热合金、钛合
金热物理性能差别大的异种金属、体积和厚度差别大的工件，以及焊缝附近有受热易燃，受热易裂和受
热易爆的构件。
（6）易实现自动控制、可在线检测焊缝质量。
激光焊接机的设备组成
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光纤传输激光焊接机机由激光器、激光电源、控制系统、内循环冷却系统、三维
精密控制台、操作机柜构成，有液晶显示功能，具有输出功率高、性能可靠、结
构紧凑、外观美观，采用振镜扫描方式，具有焊接速度快、精度高、质量稳定、
操作方便、维护简单等优点，特别适合各种零部件的激光精密点焊（如图2-1所
示）。生产效率达到普通激光点焊机的8倍左右。在配备专用的激光焊软件后，
焊接点或图形可在软件中直接输入、编辑，也可将AuToCAD、 CoreIDRAW等
其它软件编辑的点或图形通过该软件进行处理。
耗材为氙灯、去离子水、过滤器滤芯，具体消耗如下:
1、 机器使用长时间后，激光激发次数达到300万次以上时需要更换氙灯，一
台机器每次2支。
2、 去离子水每次更换周期为一月，每台冷水机每次更换需要2桶（18L/桶）。
3、 去离子交换树脂每半年更换一次，每次更换一个，一台焊机诶共计需要1个
过滤器滤芯。
工作过程
激光功率和速度的选择
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激光功率在激光深熔时，同时控制焊接深度与焊接
速度。熔深随着激光功率的增加如图3-1。但过高的
功率会影响焊缝的质量，应考虑工件的焊接要求，
选择合适的激光功率段。
焊接头焦距的选择
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激光束通过焊接头时光束聚焦，不同焦距对光束影
响见图3-2，采用短焦距时，光束焦点光斑小，但较
深较短，是和焊接较薄件。采用长焦距的焊接头，
焦距光斑较大，但焦深较长，是焊接有一定厚度的
工件，因此对电池壳体焊接，我们选择短焦距比较
合适。
焊接保护气的选择
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保护气有三大作用：①保护焊接熔池，是工件在焊接过程只免受氧化。②保护聚
焦镜免受金属真气污染和熔滴的溅射。③驱散深熔时产生的等离子屏蔽云。激光
焊接机一般采用氦气、氩气、二氧化碳及氮气作为保护气，对二氧化碳而言，二
氧化碳吸收激光，所以一般不采用二氧化碳作为保护气体。不同保护气体熔深相
对值如下图：氦气效果最好，但成本最高；氩气保护效果可以，但影响焊接深度；
氮气保护最便宜，但焊接搭接区易产生气孔。对焊接质量要求较高的采用氦气保
护，一般的采用氦气和氩气的混合气体。为控制制造成本，选择热处理使用的氮
气保护，将焊接搭接区产生气孔大小进行控制，在设计计算和检测时作为允许缺
陷排除。如图3-4所见：
激光发生装置维护
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激光焊接机常见的故障有无激光输出、激光输出弱、保护电路不正常工作，下面我们分开叙述：
1、无激光输出
这是激光器在使用中出现频率最高的故障，应从三个方面进行故障分析和检查。首先检查高压供电电路，因该机的直流
高压电源高达到24kV。利用面板上的开关旋钮、指示灯及相应的电压表对故障进行分析判断；在断电的情况下测量高压
供电电路是否有断路；确认高压变压器本身是否正常；对负责调整输出电压的可控硅及其触发电路进行测量、检查；在
通电情况下用量程大于30kV的高压表测量直流高压电路输出的电压数值。根据调查统计，直流高压供电电路故障导致无
激光输出的故障占该类故障总数的60%以上。其次检查光路仔细观察导光臂固定座的中心轴与激光管的中心轴是否重合
(应重合)；激光管的固定卡环是否松脱；激光管输出侧的平凸镜位置是否正常；输出窗是否清洁。最后检查激光管，如
激光管放电正常，但无激光输出，可能是激光管两端腔片损坏或输出窗被遮盖；激光管有不正常的放电，无激光输出，
可能是激光管中阳极或阴极损坏，或管中的工作气体被杂质气体所污染；激光管无放电，也无激光输出，则可能是阴极
损坏或老化而不能发射电子，阴极或阳极引线封结处玻璃炸裂或激光管两端腔片粘结处漏气，空气进入激光管，从而激
光管无法放电。
2、激光输出弱(强度大大低于正常值)
此类故障的原因甚至比无激光输出故障更难分析和检查，仍需从直流高供电电路、激光光路、激光管本身三个方面进行，
而且在整个过程中更强调指标的定量。检查电源电压的数值是否正常；旋动激光功率微调旋钮，看毫安表的数值能否灵
敏地连续变化(在激光功率选择开关处于不同位置时分别进行)；激光管的检查包括外观结构观察、光路各环节的正确位
置、计算激光管的累计工作时间(激光管老化后效率下降，输出变小)。
3、保护电路故障
一般有四种保护电路，哪一种发生故障，激光器都停止工作。
过流保护电路，防止激光管因电路故障引起辉光放电电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂(一旦炸裂，后果严重)，
工程技术人员对该保护电路应采取定期的预防性维修，被动性维修(即发生故障后才去维修)的方式不可取。
断水保护电路，激光器工作时会产生大量热量，循环冷却水必须对激光管降温，水路不通时，激光管的直流高压被切断。
加压泵工作不正常和水位开关接触不良是此类故障的主要原因。断水保护电路的检查是经常性的工作，不容忽视。
安全保护电路，主要由机柜上的门开关组成，为的是保证操作者和患者的安全。因机内有高达24kV的高压。故障原因大
多是门开关处接触不良或门装的位置不正。
电源锁开关的保护，为防止非操作和维修人员对机器通电。故障往往由锁开关本身损坏引起，断电情况不用万用表测量
即可判断其通、断是否正常。
冷却系统的维护
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1、 冷却系统维护的主要内容
维护的主要内容包括检查冷却水的水质，清洗水箱及管道和检查保护电
路动作是否正常等。
在使用频繁的情况下，每周必须检查一次水质情况，以随时保证冷却介
质的质量。检查的方法是将万用表置于2MW电阻档，把两支表笔测量端
的金属外露部分以1cm的间隔距离，平行地插入冷却水面，此时的电阻
读数至少应大于250kW。若读数低于此数值，应立即更换冷却水。
2、 检查保护连锁电路
本冷却系统专门针对激光设备的特点，设计了超温声音报警，超温连
锁，流量开关连锁，液位保护连锁等保护措施。使用中应经常检查以上
保护电路，保证其功能正常有效。
检查工作可以利用换水时进行。
总结
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天津市捷威动力工业有限公司由中国企业500强的建龙集团投资而成的，
成立于2009年4月，主要产品为动力锂离子电池芯及电池组、电动汽车
用驱动电机和动力总成系统等新能源电动汽车关键零部件。公司弘扬
“只争第一，点滴做起”的企业精神，倡导“诚信、规则、高效、创新、
共赢”的企业价值观，奉行“尊重人，培养人，激励人，成就人”的人
力资源理念，用有竞争力的薪酬和激励机制以及良好的发展前景吸引并
留住人才，通过全体员工的共同努力，建设具有世界先进水平的新能源
动力汽车关键零部件制造基地。
在公司实习有两个月了，我们制造部是保证电池的质量关键部门。质量
是做出来的。因此，在制造部的每一道工序都要严格要求，不能是差不
多就可以了。我所在的工位激光焊接也是如此。在学习中，部长常说
“What，Why，And then”让我很受用。工作不同于上学，但仍少不了
学习。而工作中的学习全靠自己。
谢
谢