CN101239418A - 一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，特指一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置，其适用于同种和异种金属材料间的快速焊接，其装置由激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜移动平台、约束层、约束层支架、约束层移动平台、工作台、三维移动平台、L型底座、CCD摄像头、D/A转换器、图像采集卡、计算机组成，利用计算机精确控制的单脉冲激光作用于飞片正面，产生爆炸等离子体，等离子体驱动飞片高速运动的同时带动贴紧在飞片背面的工件一起高速运动，飞行一段距离后工件与基体碰撞，在碰撞界面产生高温高压，实现工件与基体之间的焊接。本发明将实现了微器件焊接的低成本和高效率，工艺简单，一致性好，适于自动化生产。

Description

一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及焊接领域，特指一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置，其适用于同种或异种金属材料间的快速焊接，特别适合于微金属器件的焊接，能够保证微焊接的高质量、高效率。

发明背景

微器件在航空航天、医疗卫生、电信电子、精密仪器和国防等各种领域的应用越来越广泛，传统的微成形技术受到材料性质和微尺度因素的限制，给微型器件加工带来了很大的难度，单纯依靠材料的塑性成形技术难以满足工业生产的需要。焊接技术由于能够快速有效地实现不同形状材料的连接，在制造业中有着重要的地位，而微焊接又是焊接领域的一个新技术，对微器件产品的工业化生产来说有着很大的意义。

目前微器件焊接仍然采用传统的焊接技术，主要有：电阻焊接、等离子弧焊、激光焊接、超声波焊接、爆炸焊接等。电阻焊接需要在局部加热，随着焊接温度的升高会影响材料的性能；等离子弧焊的成本较高而且对于焊接控制的精度要求也很高；激光焊接是一种比较先进的微焊接工艺，但目前的激光焊接主要是利用激光的热作用熔化材料实现焊接，有较大的局限性。超声波焊接和爆炸焊接可以克服以上焊接的缺点，即利用超声波和爆炸产生的能量，作用在焊接体之间的界面上实现焊接，基本不会改变材料的性质。但是超声波焊接的振幅比较大，容易使工件变形，不适合微型化生产，另外超声波焊接需要在工件表面施加压力，增加了焊接工艺的难度；爆炸焊接存在的主要问题是能量的控制精度不高，对环境有一定的污染，实际生产中也有潜在的危险，另外炸药难以实现微型化，也制约了爆炸焊接在微器件中的应用。

经检索国内目前没有飞片驱动式的焊接专利报道，国外有为数不多的飞片驱动式的焊接专利报道，如美国专利4272005和4842182介绍了利用炸药驱动飞片，飞片撞击工件实现焊接，但是存在以下问题：

1.炸药能量难以精确控制，使得焊接工艺参数不稳定。

2.炸药直接作用在工件表面，影响工件质量。

3.在微焊接中难以实现微器件的焊接，容易破坏工件。

4.对环境造成污染，爆炸后的气体对人体也有一定的危害。

发明内容：

本发明的目的是提供一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置，将激光诱发应力波和飞片技术融入到微焊接工艺，确保微焊接后工件的表面质量，能够对塑性相同或不同的材料进行焊接，也适用于不同材料间的微焊接，解决了常规微焊接方法容易损伤工件的问题，也实现了微器件焊接的低成本和高效率，工艺简单，一致性好，适于自动化生产。

一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置，其特征在于利用计算机精确控制单脉冲激光作用于飞片正面，产生爆炸等离子体驱动飞片运动，激光能量转化为飞片的动能，飞片高速运动的同时带动贴紧在飞片背面的工件一起高速运动，飞行一段距离后工件与基体碰撞，利用工件撞击基体时碰撞界面产生的高温高压，使工件与基体之间达到熔化焊、压力焊、扩散焊、射流等综合焊接的效果。

实施本发明的装置包括激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜移动平台、约束层、约束层支架、约束层移动平台、工作台、三维移动平台、L型底座、CCD摄像头、D/A转换器、图像采集卡、计算机；其中计算机控制激光器发出的激光依次传递到反射镜和聚焦透镜；聚焦透镜通过聚焦透镜支架与聚焦透镜移动平台相连接，聚焦透镜移动平台安装在L型底座的左侧板；聚焦透镜正下方是约束层，约束层通过约束层支架与约束层移动平台相连接，约束层移动平台同样安装在L型底座的左侧板；约束层正下方是工作台，工作台固定在三维移动平台上，三维移动平台安装在L型底座底板；工作台的旁侧安装CCD摄像头，CCD摄像头对准基体，CCD摄像头通过数据线依次连接到D/A转换器、图像采集卡，计算机。

本发明是按下述技术方案实现的：

(1)选用硅油作为粘结介质，将面积相同的飞片和工件贴合，在贴合后施加一定压力，使其紧密接触贴合，避免飞片和工件之间存在间距而发生碰撞，使飞片与工件之间不产生焊接。

(2)由计算机控制激光器发出单脉冲激光，激光作用于飞片，产生爆炸等离子体，等离子体驱动飞片高速运动的同时带动贴紧在飞片背面的工件一起高速运动。

(3)通过上下调节聚焦透镜移动平台可以获得不同大小的激光光斑；同理，上下调节约束层移动平台控制工件与基体之间的距离，可以获得焊接所需要的最佳距离；调节三维移动平台控制工作台上基体的移动，实现基体上不同位置的焊接，增加微焊接的柔性。

(4)利用CCD摄像头获得工件与基体之间的位置图像，通过数据线依次连接到D/A转换器、图像采集卡，再利用软件处理技术反映到计算机中，获得工件与基体距离的准确信息，以便于调节其相互间的位置。

(5)选择合适的激光器及脉宽，利用计算机精确控制单脉冲激光能量，驱动飞片和工件高速运动，飞片和工件的飞行速度可以通过控制激光能量进行调节的。

(6)工件高速碰撞基体后，工件与基体碰撞界面产生高压高温，使得工件与焊接界面上发生熔化焊、压力焊、扩散焊、射流等复杂现象，从而得到良好焊接效果。

(7)工件与基体碰撞后碰撞界面上产生冲击应力波，冲击应力波通过工件向飞片传递，导致工件与飞片间产生界面张力，界面张力大于工件与飞片间的贴合力，使得飞片与工件脱离。

(8)利用激光直接作用于飞片，烧蚀厚度必须小于飞片厚度，工件表面不会受到烧蚀，与基体碰撞后，工件表面贴合的飞片脱落，工件有很好的表面质量，这也是爆炸焊接方式难以获得的优势。

附图说明：

图1是根据本发明提出的飞片驱动式激光微焊接装置示意图。

(1)计算机，(2)激光器，(3)反射镜，(4)反射镜，(5)聚焦透镜支架，(6)约束层支架，(7)聚焦透镜移动平台，(8)约束层移动平台，(9)聚焦透镜，(10)约束层，(11)第一硅油层，(12)飞片，(13)第二硅油层，(14)工件，(15)CCD摄像头，(16)D/A转换器，(17)图像采集卡，(18)L型底座，(19)三维移动平台，(20)工作台，(21)基体

具体实施方式：

本发明提出的飞片驱动式激光微焊接装置如图1所示，整个焊接装置由21个部分组成。实施过程具体如下，以直径为1mm厚度为10μm的铝箔工件和直径为1mm厚度为30

μm的铝箔基体焊接为例。

首先制备飞片12、工件14和基体21，利用飞秒激光将铝箔切割成直径为1mm厚度为10μm的工件13，飞片12直径为1mm，厚度为10μm，基体20直径为1mm厚度为30μm。退火处理后用无水酒精清洗表面，待干燥后用两块平面K9玻璃压紧备用，目的是保证平面度。

然后在约束层10中间滴一滴硅油形成第一硅油层11，将飞片12放置于第一硅油层11上，并用一定的压力使得飞片12贴紧约束层10；再在飞片12的自由面滴硅油形成第二硅油层13，将准备好的工件14放置在第二硅油层13上，飞片12和工件14连接在一起，保证两者的同轴度后施加一定压力，使得约束层10、飞片12和工件14连接在一起。

利用约束层支架6夹紧约束层10，然后启动激光器2，控制计算机1使得激光器2发出一束调试光，调试光依次通过反射镜3、反射镜4、聚焦透镜9后到达约束层10，调节聚焦透镜移动平台7带动聚焦透镜支架5动作，以获得1mm的光斑；调节约束层移动平台8使得光斑落在飞片上，然后关闭激光器2。

接着把工作台20固定在L型底座18上，再将基体21放置在工作台20上的中部，并调节好CCD摄像头15，使得视野能够覆盖基体21，图像数据通过D/A转换器16和图像采集卡17输入计算机1并通过处理软件显示在计算机1中，再根据计算机1中显示的基体和工件的相对位置调节三维移动平台20，保证基体21在工件14的正下方，同时保证基21和工件14的间距为100μm。

装配结束后，再次启动激光器2，通过计算机1控制启动激光器2发出焊接需要的单脉冲激光，激光驱动飞片12和工件14高速冲向基体21，实现工件14和基体21的焊接。

Claims (5)

1.一种飞片驱动式激光微焊接方法，其特征在于：利用计算机精确控制单脉冲激光作用于飞片正面，产生爆炸等离子体驱动飞片运动，激光能量转化为飞片的动能，飞片高速运动的同时带动贴紧在飞片背面的工件一起高速运动与基体碰撞，利用工件撞击基体时碰撞界面产生的高温高压，使工件与基体之间实现焊接。

2根据权利要求1所述的一种飞片驱动式激光微焊接方法，其特征在于：选用硅油作为粘结介质，将面积相同的飞片和工件贴合，在贴合后施加压力使其紧密贴合，避免飞片和工件存在间距而发生碰撞，使飞片与工件之间不发生焊接。

3.根据权利要求1所述的一种飞片驱动式激光微焊接方法，其特征在于：利用计算机精确控制激光能量，驱动贴合的飞片和工件高速运动，飞片和工件的飞行速度可以通过控制激光能量进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种飞片驱动式激光微焊接方法，其特征在于：聚焦透镜移动平台上下调节以获得不同大小的激光光斑；约束层移动平台上下调节以控制工件与基体之间的距离，获得焊接需要的距离；调节三维移动平台控制工作台上的基体在平面内移动，实现基体上不同位置的焊接。

5.基于实现权利要求1所述的一种飞片驱动式激光微焊接方法的装置，其特征在于：装置包括激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜移动平台、约束层、约束层支架、约束层移动平台、工作台、三维移动平台、L型底座、CCD摄像头、D/A转换器、图像采集卡、计算机；其中计算机控制激光器发出的激光依次传递到反射镜和聚焦透镜；聚焦透镜通过聚焦透镜支架与聚焦透镜移动平台相连接，聚焦透镜移动平台安装在L型底座的左侧板；聚焦透镜正下方是约束层，约束层通过约束层支架与约束层移动平台相连接，约束层移动平台同样安装在L型底座的左侧板；约束层正下方是工作台，工作台固定在三维移动平台上，三维移动平台安装在L型底座底板；工作台的旁侧安装CCD摄像头，CCD摄像头对准基体，CCD摄像头通过数据线依次连接到D/A转换器、图像采集卡，计算机。