眼镜镜架激光焊接工艺研究

吴晓红刘 勇

（1.武汉职业技术学院电子信息工程学院，湖北武汉 430074；2.武汉华工激光工程有限公司，湖北武汉 430223）

眼镜镜架激光焊接工艺研究

吴晓红1刘 勇2

（1.武汉职业技术学院电子信息工程学院，湖北武汉 430074；2.武汉华工激光工程有限公司，湖北武汉 430223）

采用300W光纤传导脉冲激光对眼镜镜架进行焊接实验。通过优化离焦量、激光峰值功率、脉冲宽度等激光焊接工艺参量，得到最佳的焊缝外观效果，拉力和扭力测试结果表明：拉力可以达到350N，正反扭转20次不断裂。为进一步综合考虑实际生产的焊接外观与焊接效率，优化设计焊接速度与脉冲频率之间的关系。

眼镜镜架；光纤传导脉冲激光；焊接

1 引言

眼镜是一种日常生活用品，我国是眼镜的生产大国及消费大国。据统计，我国每年生产了世界总量75%以上的眼镜［1］。眼镜的镜架大部分都是金属材质，例如不锈钢、黄铜及白铜镜架，不锈钢镜架由于弹性、耐腐蚀、强度好的特点，是目前使用最多的材质。眼镜镜架的焊接是困扰眼镜生产厂家的难题之一，使用较多的焊接方式为钎焊，但是焊后镜架的脱焊率较高，有的厂家脱焊率高达50%，经多次补焊后镜架材质的弹性会大大降低，影响了不锈钢镜架的生产效率和质量［2］。除此之外还有，电阻闪光焊、摩擦焊、冷压焊等焊接方式，但是这些焊接方法要么是焊接的外观不美观，要么是焊接效率较低，不适合批量生产的需求。

激光焊接属于高能束焊接技术，具有能量密度高、焊接效率高、焊缝深宽比大、热影响区域小及热变形小等优点，非常适合精密焊接技术的要求［3－4］。也是目前研究最多、实际生产加工过程中应用最广泛的一种焊接方式。

本文采用激光为热源，对不锈钢材质的镜架进行焊接工艺研究，解决了传统焊接方法中焊接拉力偏小、焊缝不美观及生产效率低的问题。

2 实验材料及设备

2.1 实验材料

一不锈钢镜架由框架、横梁、支架、弯头、镜腿等部件构成，产品示意图如图1所示。本文研究的是横梁与框架的焊接工艺，横梁和框架的材质均为不锈钢（牌号314），它们的接触部位为矩形（1mm＊0.5mm），要求拉力达到350N以上，正反扭转20次不断裂。

2.2 实验设备

本实验采用的激光光源为武汉华工激光公司生产的全数字控制能量负反馈100W脉冲激光器（YAG），激光器技术指标如表1。该激光器的最大优点是激光器全数字控制，具有响应时间短，控制精确。带有能量负反馈控制盒，实时精确控制每个脉冲的能量，使得能量稳定在3%以内，非常适合精密焊接需求。配备高精度3轴联动（x轴y轴平移，z轴升降）运动工作台。自制专业夹具，对焊接工件定位及固定，并且适合批量生产要求。

3 实验过程及结果分析

3.1 离焦量的影响

在所有激光焊接中，很少采用在焦点处焊接，那是因为在激光焦点处，激光的功率密度最高，激光仅仅熔化材料表面，而无法形成有效的熔池，所以很容易引起飞溅，这在焊接过程中是不允许的。因此激光焊接一般都需要有一定的离焦量，而离焦量的正负则需要根据具体的材料及需求来确定，本文全部采用正离焦即激光焦点在工件上方。离焦量的大小决定了焊接光斑的大小及飞溅的程度，离焦量过小，很容易产生飞溅；离焦量过大，则会导致焊接光斑大以及焊接拉力不够等情况。在激光峰值功率、焊接速度等其他因素不变的情况下，研究离焦量的焊接效果的影响，离焦量的设定值从0逐渐增加到4mm，每次增加1mm。结果发现采用离焦2mm为最佳，既可以避免焊接过程中产生飞溅，又不至于使得焊接光斑偏大。

3.2 峰值功率的影响

在脉冲激光焊接中，峰值功率是最重要的焊接工艺参量之一。峰值功率与单脉冲激光激光能量及脉宽满足以下关系，见公式（1）。

式中Pp为峰值功率，Ep为单脉冲能量，T为脉冲宽度，可知激光峰值功率与单脉冲能量成正比［5－6］。峰值功率较大，即单脉冲能量较大时，很容易使得不锈钢材料产生极度气化而形成大量的气孔、飞溅，即产生过烧现象，从而影响焊接效果。激光功率过小，无法焊透不锈钢，使得焊接拉力不够。试验中，保持其他参量不变，峰值功率从1000W逐步增加到2000W每次增加200W，结果发现在1600W以下，焊接拉力较小，无法满足要求。继续增加峰值功率，1600W以上焊接拉力逐渐增加，但是超过1800W以后，发生焊缝过烧的现象，表面不平整，外观不美观，如图2a所示，并且焊接拉力减小，这可能是峰值功率过大，对母材的材质有灼伤，导致拉力下降。最佳的峰值功率为1600W，焊缝美观，光亮如图2b所示，且焊接拉力可以达到350N以上，做正反弯折90度测试，弯折20次不折断。

3.3 脉冲宽度的影响

脉冲宽度是单个脉冲的时间长度。脉宽越大，表示单个脉冲与材料的热作用时间越长，材料的熔化更加充分，使得焊缝的深度和宽度增加。本文在保持离焦量2mm，峰值功率为1600W以及其他参数不变的情况下，对脉冲宽度进行研究，脉冲宽度从1ms逐步增加到5ms，每次增加0.5ms，当脉宽在1ms到2ms时，焊缝宽度较小，但是拉力小于350N。继续增加脉宽，从2.5ms到4ms焊接拉力达到350N，但是当增加到4.5ms以后，拉力逐渐减小，焊接拉力与脉冲宽度之间的关系如图3所示。这是因为峰值功率不变的情况下，脉冲宽度与单脉冲能量成反比，如公式1所示。当脉冲宽度增加到一定时候，单脉冲能量降低，焊缝的深度减小，导致拉力减小。焊缝宽度从1ms到5ms是不断增加的，在脉宽达到4ms以后，焊缝宽度增加到了0.8mm以上，在一定程度上影响了焊缝的外观。当脉冲宽度在3ms到4.5ms时，焊缝的宽度在0.67mm左右，如图4所示。综合考虑焊缝拉力及焊缝大小及外观等因素，脉冲宽度为3ms是最佳的参数。

4 焊接速度的影响

脉冲激光焊接的焊缝一般是一种类似鱼鳞纹的形状，这主要是因为整条焊缝是由单个的脉冲点组成的［7］。焊接频率一定时，焊接速度越快，则焊点之间的重叠密度越低，鱼鳞纹的形状就越明显，焊接速度越慢，则焊点间距越小，焊缝比较光滑，但是焊接效率就下降。所以单独考虑焊接速度或者激光频率意义不大，必须将两者组合共同研究。本文在激光功率及脉冲宽度一定的情况下，综合考虑焊接外观与焊接效率，来优化设计焊接速度与脉冲频率之间的关系，如表2所示。

图5是焊缝外观放大50倍图像，图a、图b、图c分别对应样品编号为1、2、3。从图中可以看出，频率与速度的比值为5：1时，焊缝是均匀光滑的，这是因为此时的焊接光斑重叠率较大，每个光斑均匀堆积在一起，形成近似连续的焊缝。当频率与速度的比值为5：2时，焊缝还是非常光滑的，但是可以看出一些鱼鳞纹的形状。当频率与速度的比值为5：3时，焊缝的鱼鳞纹的形状非常明显。图1和图2的焊缝外观是比较理想的效果，但是样品2的焊接效率比样品1高2倍。因此，综合考虑焊接效果及效率，当焊接频率为50Hz时，焊接速度为20mm／s为最佳速度，即焊接频率与焊接速度的关系为5：2。

5 结 语

（1）离焦的最佳值为2mm，既可避免焊接过程中产生飞溅，又不至于使得焊接光斑过大。

（2）峰值功率最佳值为1600W时，焊接拉力可以达到350N以上，做正反弯折90度测试，弯折20次不折断。

（3）随着焊接脉冲宽度的增加，焊接抗拉强度先增加后减小，当脉宽为4ms时，焊接强度最大。

（4）综合考虑焊接效果及效率，焊接频率与焊接速度的关系为5：2为最佳的速度、频率值。

1 刘文明，龙伟民，钟素娟等.不锈钢眼镜架的钎焊工艺［J］.焊接技术，2004，33（3）：29－30.

2 张启运，庄鸿寿.钎焊手册［M］.北京：机械工业出版社，1998.3 Hecht J.Solid－State High－Energy Laser Weapons［J］.Optics ＆Photonics News，2003，（1）：58－61.

4 李晓娜，许先果，边美华.激光焊接在汽车工业中的应用［J］.电焊机，2006，36（4）：47－49.

5 CHEN Y B.Modem laser welding technology［M］.Beijing：Science and Technology Press，2005：71－72（in Chinese）.

6 罗子艺，杨永强，卢建斌.超薄铜片激光点焊工艺研究［J］.激光技术，2010，34（4）：506－509.

7 师文庆，杨永强，王迪，黄冬林.脉冲激光焊接H62黄铜［J］.焊接学报，2010.31（7）：101－104.

Study on Laser Welding Process on Spectacle Frame

WU Xiao－hong
（Wuhan Polytechnic College，Wuhan 430074，China）

We used 300Wpulsed laser which is transmitted by fiber to conduct welding experiments on spectacle frame.By optimizing the laser welding process parameters such as the level of defocus，the peak power of laser，pulse width etc，we obtain the best appearance of the welding line.The results of tension and torsion test show that the tension can reach 350Nand it can reverse twist 20times without breaking.Furthermore，considering the appearance and efficiency of welding in actual production，we optimize the relationship welding speed and pulse frequency.

spectacle frame；fiber conducted pulsed laser；Laser welding

G71

A

1671－8100（2015）01－0033－03

（责任编辑：谭银元）

湖北省教育厅科学研究计划（B2014222）资助。

2014－09－24

吴晓红，女，副教授，研究方向：激光应用技术研究。