CN101254562A - 采用双点法的激光钎焊改进 - Google Patents
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Abstract
本发明提供采用双点法的激光钎焊改进，具体说，提供一种利用激光钎焊头将第一组件激光钎焊到第二组件的方法。该激光钎焊头具有用于产生第一激光束和第二激光束的装置。该方法包含以下步骤：安置第一组件与第二组件接触，从而在其间形成接合处；在邻近所述接合处提供填料，以及使激光钎焊头沿接合处通过，以使第一激光束熔化填料，以至少部分地填充所述接合处，形成钎焊连接。第二激光束然后向钎焊连接进行后热处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光钎焊的方法，其采用后热处理减少或消除钎焊接头缺陷的存在。
背景技术
钎焊是一种用于连接两个紧贴表面的常用技术。其包括将诸如金属或金属合金的填料置于两表面间的接合处，并加热以使填料熔化。然后填料至少部分地流动到接合处中并凝固，形成钎焊接头，从而将两表面牢固地结合在一起。填料和表面材料通常在界面上部分互溶，引起分子水平的强力结合。
在激光钎焊中，填料用可以提供精准、可控加热的激光进行加热。然而，目前激光钎焊工艺存在的一个问题是，在冷却和凝固时，填料形成小孔，有些小孔会使钎焊接头断裂。在传统的激光钎焊工艺中，据估计有2％至4％之间的钎焊接头包含表面断裂孔。据信多孔性是由填料中少量杂质、待连接的表面上的杂质或缺陷以及激光钎焊工艺自身所引起。通过降低填料中的杂质和表面的污物，可以将表面断裂孔的百分比降低到大约2％。表面断裂孔可以通过机械加工钎焊接头(例如抛光、打磨或填充)消除，但是这种技术费时费力。钎焊接头中的小孔会对接头物理特性(例如强度)具有负面影响，表面断裂孔在需要光面精整的应用中是一个特定的问题。此外，在传统的激光钎焊中，填料冷却时，其表面会形成环状或人字形焊纹。
JP 7211424号专利文件公开了一种锡焊技术，其中一个激光束被分开，使具有高热容的工件在用第二激光束焊接之前先以第一激光束预热。这就避免了工件局部急剧预热所带来的问题。
JP 63168272号专利文件公开了一种采用激光热源使有缺陷的熔化区再熔化，以去除钎焊部分的针孔的方法。
US 2004/009964号专利文件公开了一种用于激光束焊接的系统，其包含一个激光束焊头和一个TIG焊头，其中TIG焊头用于使得自激光焊头的焊接泡的一部分再熔化。
然而，仍然需要一种用于激光钎焊的有效方法，在其中钎焊接头中的小孔形成和不期望的表面图案可以减少，具体说，在其中表面断裂孔的出现可以减少或完全消除。这由其与将要油漆的钎焊接头关系紧密，因为油漆后表面的不规则或表面断裂孔同样明显。该方法应该提供简单、经济的解决方案，而且应该很容易与现有的，特别是用于大量生产的货物的高速工艺兼容。
发明内容
本发明提供一种利用激光钎焊头将第一组件激光钎焊到第二组件的方法。该激光钎焊头具有用于提供第一激光束的第一装置和用于提供第二激光束的第二装置。该方法包含以下步骤：
a.安排第一组件与第二组件接触，从而在其间形成接合处；
b.在邻近所述接合处提供填料，以及
c.使所述激光钎焊头沿所述接合处通过，以使所述第一激光束熔化所述填料，以至少部分地填充所述接合处，形成钎焊连接，所述第二激光束向所述钎焊连接进行后热处理。
适宜地，第一激光束提供的每单位面积的能量(＝强度)大于或等于第二激光束提供的每单位面积的能量。例如，第一激光束提供的每单位面积的能量可以二倍、五倍或十倍于第二激光束提供的每单位面积的能量。
一方面，使填料在第一激光束将其熔化之后、第二激光束对其后热处理之前凝固。
用于提供第一和第二激光束的第一装置和第二装置可以与各自的激光源相连接。可选择地，第一和第二装置都连接到一个单独的激光源上。
在一个实施例中，填料选自包含银、锡、铜、锌、铝，以及其合金的群组。
激光钎焊头以适宜地在0.2至8米/分钟之间、最好为1至3.5米/分钟之间的速度沿接合处通过。打到接合处的第一和第二激光束的中心到中心之间在激光钎焊头行进方向上的距离A在1至50毫米之间，最好在3至15毫米之间。
在邻近所述接合处还可以提供焊剂。在一个特定的实施例中，钎焊头还包含在邻近接合处提供填料的装置。
术语“钎焊”指一种连接两种材料的方法。填料导至两材料之间的接合处，然后熔化形成钎焊连接。钎焊和锡焊的区别是，用于锡焊的填料(焊锡)具有低熔点；然而，在本发明中，术语“钎焊”的含义涵盖了锡焊和钎焊工艺。
附图说明
图1a-1c表示本发明的方法。
图2为沿图1c中的II-II线的截面图。
图3表示本发明方法的一个具体实施例。
图4和5表示接头的可选安置。
图6表示接合处表面上的两个激光束的相对位置。
具体实施方式
图1a-1c表示根据本发明的总体方法。该方法的第一步是将第一组件10与第二组件12接触安置，从而在其间形成接合处16。
图1a表示了一种简单的构造，其中第一组件10和第二组件12在其末端(射束收集缝(beam trap seam))相互对接。然而，两个组件10、12的准确安置并不重要，他们可以安置成其中一个的末端与另一个组件的更大表面相对接(角焊缝(fillet seam)-见图4)，或者安置成叠放的方式(边焊缝(edge seam)-见图5)。为了获得最坚固的钎焊接头24，第一和第二组件10、12的表面应该洁净，而且实质上无氧化物。
第一和第二组件10、12可以由任何适合钎焊工艺的材料制成。两组件最好由铁或其合金制成，其特别适合钎焊。铝、铜和锌，以及它们的合金，也可以通过该技术钎焊。第一和第二组件不一定是相同的材料-例如第一组件可以由钢制成，而第二组件由铝制成。
如图1b所示，在第一和第二组件10、12之间的接合处16邻近提供填料14。填料14可以根据任何公知方法铺设。较佳地，填料14以焊丝的形式在接合处16邻近提供。填料14不必沿接合处16连续提供；然而填料14沿接合处16连续提供时可能会获得更好的结果。
如图3所示，在一种选择中，钎焊头18还包含用于在接合处16邻近提供填料14的装置30。这样就可以在钎焊头18的一次横移中提供填料14并焊接好接头。可以采用在焊接线侧提供填料14的方法。
本发明可以使用多种填料14。填料14的选择通常依赖于待钎焊的材料。银、锡、铜、锌、铝及其它们的合金都特别适合填料14。这些金属相互组成的合金也很适合。铜合金特别适合作为填料14。
在某些情况下，需要在用于提供填料14的装置30和第一和第二组件10、12之间施加低电压。这就在填料14中引起电流，其因而加热。填料14从而被预热。这提高了其柔性，并有助于填料14的铺设。同时，随后的激光钎焊也得以改进，可以减少因填料14快速局部加热而引起的缺陷。
一旦将填料14提供到接合处16附近，激光钎焊头18即沿接合处16通过(见图1c)。激光钎焊头18具有用于提供第一激光束20’的第一装置20和用于提供第二激光束22’的第二装置22。
用于提供第一和第二激光束20’、22’的第一装置20和第二装置22可以与各自的激光源21、23(图中未表示)相连接。这些激光源不一定非要位于激光钎焊头18自身上，尽管这也是可能的。为了节省激光钎焊头的重量，分离的激光源21、23最好位于不在激光钎焊头上的其它地方，通过光纤或其它光学系统连接到第一和第二装置20、22上。
可选择地，用于提供第一和第二激光束20’、22’的第一和第二装置20、22都连接到一个单独的激光源上。也就是说，使用合适的光学元件将单独的激光源分离，并将输出连接至第一和第二装置20、22。光束分离可以通过使用所属技术领域的技术人员可以很好理解的标准光学元件实现。此外，该单独激光源不必位于激光钎焊头自身上，为了节省激光钎焊头的重量，可以位于其它地方，通过光纤或其它光学系统连接到第一和第二装置20、22上。该实施例具有仅需一个激光源的优点，其在钎焊工艺中节省了能量。此外，采用本实施例，具有单独激光源的传统激光钎焊头可以通过提供相关光学元件很容易地加以改造，以提供根据本发明的激光钎焊头18。
激光钎焊头18沿接合处16通过，这样，第一激光束20’熔化填料14，以至少部分地填充接合处16，形成钎焊接头24。然后第二激光束22对所述钎焊接头24进行后热处理(见图1c)。图2为沿图1c中的II-II线的截面图。
通过这样的后热处理，可以生成具有总体上很少小孔、很少或无表面断裂孔的钎焊接头。激光钎焊头18单次通过接合处16就足以提供钎焊接头质量的明显改善。此外，单独激光钎焊头18可以用于提供高质量钎焊接头的事实意味着不需要诸如抛光或打磨的额外步骤。本发明的工艺与现有包含钎焊步骤的制造工艺高度兼容。
接合处16上的激光束20’22’每单位面积的能量(＝强度)具有高斯分布(Gaussian distribution)。激光束从一个边缘经过中心到达另一边缘的强度，在通过中心下降之前一直增加，到中心增至最大值。因此，在比较激光束的强度时，同样点的类比就很重要(也就是说，在第一激光束20中给定点上的测定结果必须和第二激光束22’相应点上的测定结果进行比较)。
第一激光束20’提供给接合处16上的每单位面积的能量(＝强度)应该大于或等于第二激光束22’提供的每单位面积的能量。例如，第一激光束20’提供的每单位面积的能量可以二倍、五倍或十倍于第二激光束22’提供的每单位面积的能量。这样的安排确保第二激光束22’仅提供后热处理，而不会将填料14完全熔化。
图6表示接合处16表面上的两个激光束20’22’的相对位置。在该图示中，激光钎焊头18行进的方向以箭头表示。接合处16表面上的两个激光束中心到中心间的距离(在激光钎焊头18行进的方向上)给定为距离A。在某些情况下-如下所述-需要将两个激光束的中心点在与激光钎焊头18行进方向垂直的方向上相互相对偏移。该偏移以d表示。第一和第二激光束的直径分别给定为x1和x2，在接合处16上通常在2-3毫米之间。
激光钎焊头18的速度、打到接合处16的第一和第二激光束20’、22’之间的时间差，以及接合处16激光束20’、22’之间的距离A相互关联。激光钎焊头18在接合处16上方的快速移动会导致两个激光束打到给定间距的两光束上之间的时间变短。
激光钎焊头18以适宜地在0.2至8米/分钟之间、最好为1至3.5米/分钟之间的速度沿接合处16通过。打到接合处16的第一和第二激光束20’、22’之间的距离较佳在1至50毫米之间，最好在3至15毫米之间。
以上条件对于第一激光束20’和第二激光束22’之间的填料14的最终结果有影响。使钎焊头18在接合处16上方快速通过，或者对两激光束20’、22’提供相对较小的间距A，都会使填料14在其接受第二激光束22’后热处理之前难以完全凝固。使填料14在第一激光束20’将其熔化之后、第二激光束22’对其后热处理之前凝固时，会得到最好的结果。这可以通过使激光钎焊头在接合处16上方相对较慢地通过(例如2-5米/分钟)、或者在两激光束20’、22’间提供相对较大的间距A(例如10-30毫米)而得以实现。
当激光钎焊头18以1至3.5米/分钟之间的速度移动，激光束20’、22’分开3至15毫米的距离时，得到最佳结果。
第一和第二组件10、12的不同安置可能需要第一和第二激光束20’、22’的不同调整。例如，当钎焊例如图5中的边焊缝时，可以将第一激光束20’导向为使第一和第二组件10、12的上面比下面加热更甚。这样，填料14最好向下，而非向上流入接合处16中。然后将第二激光束22’导向钎焊接头24本身，以使钎焊接头24直接在其表面上接受后热处理。两激光束之间的偏移d(图6)可以变化，以提供所需的效果。
钎焊往往在焊剂的存在下进行，焊剂阻止钎焊过程中氧化物的形成。因此，在根据本发明的方法的一个实施例中，在邻近接合处16还提供焊剂。最好的用作焊剂的材料为硼砂基焊剂。然而，标准的激光钎焊技术很快，通常不需要焊剂。
本发明的激光钎焊工艺可以在惰性气氛中进行，以减小燃烧的风险。氩、氮或氦可以用作惰性气氛。
激光钎焊过程中，可以将第一和第二组件10、12夹在一起。可选择地，激光钎焊头18装配有至少一个装置来向第一或第二组件10、12施加压力(例如轮子(wheel)或指状物(finger))。其安置成至少在第一激光束20’之前接触第一或第二组件。这些压力轮或指状物向第一和第二组件10、12施加一个连贯的力，以使它们在钎焊时紧密接触。它们还有助于激光钎焊头18维持在一个与第一和第二组件10、12设定的距离上。
激光钎焊头18还可以包含用于跟随接合处16的装置，以确保激光钎焊头18与接合处16保持对准。最简单的方式是，其包含一个指针，其设置成在钎焊过程中可以沿接合处16运行，和留声机上的唱针的方式类似。更复杂的接合处跟随装置可以使用光学元件，使激光钎焊头18与接合处16保持对准。
实例
典型地，将两种材料激光钎焊到一起的组成包括两个钢板材料和铜合金填丝CuSi3。用夹具轮或者通过可移动的/分度夹具将两个材料夹到一起，形成没有空隙的连接。两点光束通常通过标准激光光学元件中的楔形透镜改变部分光束的(典型地为20％)光路、生成第二点而产生。两点之间的距离需要根据钎焊速度调整，以得到最佳效果。在钎焊速度为2米/分钟时，为了取得较好的结果，两点之间的典型距离为8-10毫米，同时第二光束点追随接缝的中心。
本发明不应认为受此处所述的实施例和附图的限制。而是，本发明的整个范围应参照说明书由权利要求来确定。
Claims (10)
1.一种利用激光钎焊头(18)将第一组件(10)激光钎焊到第二组件(12)的方法，该激光钎焊头具有用于提供第一激光束(20’)的第一装置(20)和用于提供第二激光束(22’)的第二装置(22)，该方法包含以下步骤：
a.安置所述第一组件(10)与所述第二组件(12)接触，从而在其间形成接合处(16)；
b.在邻近所述接合处(16)提供填料(14)，以及
c.使所述激光钎焊头(18)沿所述接合处(16)通过，以使所述第一激光束(20’)熔化所述填料(14)，以至少部分地填充所述接合处(16)，形成钎焊连接(24)，所述第二激光束(22’)对所述钎焊连接(24)进行后热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一激光束(20’)提供的每单位面积的能量大于或等于，例如，二倍、五倍或十倍于第二激光束(22’)提供的每单位面积的能量。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，使填料(14)在第一激光束(20’)将其熔化之后、第二激光束(22’)对其后热处理之前凝固。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于提供第一和第二激光束(20’，22’)的第一装置(20)和第二装置(22)与各自的激光源(21，23)相连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，第一和第二装置(20，22)都连接到一个单独的激光源上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，填料(14)选自包含银、锡、铜、锌、铝，及其合金的群组。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，激光钎焊头(18)以0.2至8米/分钟之间、最好为1至3.5米/分钟之间的速度沿接合处(16)通过。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，打到接合处(16)的第一和第二激光束(20’，22’)的中心到中心之间在激光钎焊头行进方向上的距离在1至50毫米之间，最好在3至15毫米之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在邻近所述接合处(16)还提供焊剂(30)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，钎焊头(18)还包含在邻近接合处(16)提供填料(14)的装置(30)。
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