激光傳感器焊接技術(shù)

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(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件裝置。傳感器作為檢測(cè)工具，要求檢測(cè)研究對(duì)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(duì)傳感器有以下幾個(gè)要求：

(1)適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)

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(qiáng)烈振動(dòng)、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(qiáng)，信噪比高。

(2)價(jià)格適中，適于大批量生產(chǎn)。

要求傳感器一致性好，適宜自動(dòng)化批量生產(chǎn)，對(duì)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(cè)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(cè)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(yùn)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(qiáng)度要求和漏氣率要求，對(duì)焊接質(zhì)量要求高，而且焊接過程中要求變形小，不能對(duì)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(dú)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(qiáng)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(diǎn)的功率密度為104~107W/cm2，加工工件置于激光焦點(diǎn)附近進(jìn)行加熱熔化，熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強(qiáng)弱程度主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率?？刂粕鲜龈鲄?shù)就可利用激光進(jìn)行各種不同的焊接加工。

2、激光焊接的一般特點(diǎn)

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(jī)械加工相比較，具有許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)激光束的激光焦點(diǎn)光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點(diǎn)、高強(qiáng)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(diào)換等問題。激光束能量可調(diào)，移動(dòng)速度可調(diào)，可以多種焊接加工。

(3)激光焊接自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接。

(4)激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理。

(5)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。

(6)激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實(shí)現(xiàn)各方向變換。

(7)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。

(8)激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。

3、激光焊接在傳感器生產(chǎn)中的工藝特點(diǎn)。

激光用來封焊傳感器金屬外殼是目前一種最先進(jìn)的加工工藝方法，主要基于激光焊接有以下特點(diǎn)：

(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(qiáng)度、韌性和綜合性能高。

(4)強(qiáng)固焊縫。高溫?zé)嵩春蛯?duì)非金屬組份的充分吸收產(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(qiáng)度、韌性至少相當(dāng)于甚至超過母體金屬。

(5)精確控制。因?yàn)榫劢构獍吆苄?，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(jī)輔助時(shí)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(dòng)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?yàn)槟芰縼碜约す?，工件無物理接觸，因此沒有力施加于工件。另磁和空氣對(duì)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(fèi)用，另外，激光焊接運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，從而可降低工件成本。

(8)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)光束強(qiáng)度與精細(xì)定位能進(jìn)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(gè)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(shí)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(jìn)行，電阻焊所用電極需經(jīng)常維護(hù)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(shí)并不接觸工件，再者，光束還可進(jìn)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(hù)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(huì)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(shí)施深熔焊接。電子束焊的主要缺點(diǎn)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(duì)韓件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，非真空電子束焊也可實(shí)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(huì)受磁場(chǎng)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(qiáng)，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)。激光焊則不需真空室和對(duì)工件焊前進(jìn)行去磁處理，它可在大氣中進(jìn)行，也沒有防X射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機(jī)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(dú)有的特點(diǎn)，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(jī)構(gòu)在采用此種工藝，且采用國外激光焊接機(jī)的較多。目前國內(nèi)激光焊接機(jī)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(jià)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(jī)來生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競爭力，開拓國際市場(chǎng)。