- 激光焊接技術(shù)在傳感器生產(chǎn)中應(yīng)用
- 利用高輻射強度的激光束
- 利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝
一、傳感器
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87，傳感器定義為：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)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(xué)的信息，其工作過程要求穩(wěn)定、可靠、精度高，所以對傳感器有以下幾個要求：
（1）適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強
傳感器一般工作環(huán)境十分廣，從極寒至酷熱地區(qū)，許多在露天環(huán)境下工作，能抗飛沙走石、灰塵，還應(yīng)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(yīng)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(yīng)抗噪聲能力強，信噪比高。
（2）價格適中，適于大批量生產(chǎn)
要求傳感器一致性好，適宜自動化批量生產(chǎn)，對加工設(shè)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(wěn)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(yīng)用都有嚴(yán)格要求，產(chǎn)品都須經(jīng)過嚴(yán)格測試才能應(yīng)用。所以傳感器生產(chǎn)是一種高新技術(shù)的具體運用和體現(xiàn)。一種傳感器是否有較高的技術(shù)附加值體現(xiàn)在所包含的技術(shù)含量和加工工藝的技術(shù)是否高新。
有部分傳感器由于其應(yīng)用環(huán)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(nèi)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(zhì)量要求高，而且焊接過程中要求變形小，不能對內(nèi)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(fā)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(yè)加工中的應(yīng)用十分廣泛，成為未來制造系統(tǒng)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(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)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(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)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(shù)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(yōu)點：
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。
激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。激光束能量可調(diào)，移動速度可調(diào)，可以多種焊接加工。
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(fù)雜形狀的焊接。
激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理。
激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件。
激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實現(xiàn)各方向變換。
激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便。
激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。
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3. 激光焊接在傳感器生產(chǎn)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(qū)小。
(3) 高致密性。焊縫生成過程中，熔池不斷攪拌，氣體易出，導(dǎo)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(xì)化，焊縫強度、韌性和綜合性能高。
(4) 強固焊縫。高溫?zé)嵩春蛯Ψ墙饘俳M份的充分吸收產(chǎn)生純化作用，降低了雜質(zhì)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(qū)受污染小，使焊縫強度、韌性至少相當(dāng)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(jīng)常更換焊炬、噴咀，顯著減少停機輔助時間，生產(chǎn)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(shù)則可焊復(fù)雜構(gòu)件。
(6) 非接觸、大氣環(huán)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(zhuǎn)費用較低，從而可降低工件成本。
(8) 容易實現(xiàn)自動化，對光束強度與精細(xì)定位能進行有效控制。
三、激光焊接與現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(guī)焊難以焊及的區(qū)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(chǎn)生變形。
3. 等離子弧焊：與氬弧類似，但其焊炬會產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)生巨大的熱，形成"小孔"效應(yīng)，從而實施深熔焊接。電子束焊的主要缺點是需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制，對韓件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)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(zhuǎn)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(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性材料。
四、激光焊接在傳感器生產(chǎn)的應(yīng)用前景
激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù)，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(chǎn)傳感器的廠家均利用激光焊接工藝生產(chǎn)傳感器，而國內(nèi)采用此工藝的廠家不多，主要是一些生產(chǎn)軍用傳感器產(chǎn)品的廠家和部分科研機構(gòu)在采用此種工藝，且采用國外激光焊接機的較多。目前國內(nèi)激光焊接機在性能上已和國外產(chǎn)品相差不遠(yuǎn)，完全可以勝任國內(nèi)生產(chǎn)傳感器的工藝要求，但價格是國外同類產(chǎn)品的1/3-1/5。為提高國內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè)，我國的傳感器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快采用國產(chǎn)激光焊接機來生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競爭力，開拓國際市場。
