CN103071924A - 镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法，首先将待焊接的部件定位然后调整光泵输出一个激光脉冲，所述的激光脉冲在初始时功率快速上升至峰值然后保持预定时段以对焊接区域局部加热并将该区域的镀层烧蚀，然后激光脉冲的功率快速下降至设定焊接功率并保持设定时段以对金属基体进行熔化焊接，最后将激光脉冲的功率下降至零完成激光焊接。本发明通过激光设备的调试对脉冲激光波形进行调控，无需先用其它方法将局部镀层去掉再进行焊接，而是以设计的波形的脉冲激光实现将待焊区域局部镀层烧蚀、并实现基体金属间的熔化焊接，实现冶金结合，保证焊接点的强度。

Description

镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法

技术领域

本发明属于高新制造工业技术领域，特别是涉及一种镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法。

背景技术

在精密器械制造、电子仪器、电子通讯、以及医疗器械、金属件人体植入等领域，为提高制件的功能、性能、可靠性，近年来使用有金属镀层的金属制件，并要求在其上精密熔化焊接另一金属件的情况越来越多。例如在不锈钢件的表面有金属镀层（如镀镍、镀铜等镀层），而后要求在其上密焊接其它装配件。以往不得不用铆接与钎焊相结合的工艺方法，在工艺上造成一定的麻烦。

近年来随着激光精密焊接技术的应用扩展，期望能用激光焊接方法解决这一技术问题。按常规方法，为保证焊接质量，特别是保证焊接接头的强度，通常要先行将局部镀层去掉，再将待焊接的工件与工件基体间实现激光精密熔化焊接,得到工件间的冶金结合，确保焊接结点的结合强度。

但是在电子仪器或电子通讯设备上使用的镀层工件,表面镀层厚度通常在5-20μm，工件基体的厚度在0.3mm-2.0mm。这种薄的金属件用常规焊接方法焊接时容易发生变形。为保证焊接时不发生明显的变形，要用高能量密度较低功率的脉冲激光束来进行焊接，以保证有极小的热影响区，最小的变形。但低功率焊接往往有较小的熔深，在有镀层存在的情况下只能实现镀层间的焊接，与基体的结合强度很低，达不到焊接接点的强度要求。为实现基体间的熔化焊接，要先用机械的或化学的方法，将焊接处的镀层去掉，再进行焊接。若用较大的功率，虽能获得较深的熔深，但是焊点处的镀层熔化同时基体也会发生部分熔化，虽然工件间能实现基体间的熔合的焊点强度高，但因功率较大，热影响区较大，导致如0.3mm-0.5mm厚的薄金属工件发生变形，不能有效保证工件质量，在实际应用中也很受制约。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种能将局部镀层去掉并同时实现基体金属间的熔化焊接的激光焊接方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法，首先将待焊接的部件定位然后调整光泵输出一个激光脉冲，所述的激光脉冲在初始时功率快速上升至峰值然后保持预定时段以对焊接区域局部加热并将该区域的镀层烧蚀，然后激光脉冲的功率快速下降至设定焊接功率并保持设定时段以对金属基体进行熔化焊接，最后将激光脉冲的功率下降至零完成激光焊接。

所述的功率快速上升的上升速率等于或高于1kW/ms。

所述的快速下降的下降速率等于或高于0.5kW/ms。

所述的激光脉冲的峰值工作功率为Pp,峰宽为tp，设定焊接功率段的工作功率为Pw，峰宽为tw，其中，Pp*tp=Ec`，tp在1-5ms,设定值段的焊接功率Pw=b*Pp，tw=d*Tp，系数b=0.1-0.7，系数d=1.5-10。

所述的Ec`=k*h*Ec,其中，Ec为烧蚀镀层所需的理论能量，k为与激光物理特性、激光与材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素有关的系数，h为与材料热物理特性、工件形状几何参数以及工件与镀层厚度相关的修正系数，对于基体厚度小于1mm，镀层厚度小于10μm的薄金属工件，k值在10-30，h值在4.4-20.0。

所述的薄金属工件的基体为不锈钢或低合金结构钢。

所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面镀镍层，所述的k在15-30，h在8-20。

所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面镀铜层，所述的k在10-25，h在10-20。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过激光设备的调试对脉冲激光波形进行调控，无需先用其它方法将局部镀层去掉再进行焊接，而是以设计的波形的脉冲激光实现将待焊区域局部镀层烧蚀、并实现基体金属间的熔化焊接，实现冶金结合，保证焊接点的强度，同时焊接效率高，一次调整输出即可完成镀层烧蚀和焊接连接同步完成，能有效保证焊接质量的一致性，有利于工业化生产。

附图说明

图1为本发明的激光脉冲波形图；

图2本发明实施例的激光脉冲波形；

图3为本发明实施例焊接件焊点排列分布图；

图4为装配焊前不锈钢件截面的形貌；

图5为焊接后焊点截面的形貌。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法，首先确定待焊接部位并确定实现镀层烧蚀和基体间熔化焊接所需的能量，然后调整光泵使激光光器输出一个前峰后平波形的激光脉冲，如图1所示，所述的激光脉冲在初始时功率由零快速上升至峰值并在峰值保持预定时段以对焊接区域局部加热并将该区域的镀层烧蚀，然后激光脉冲的功率快速下降至设定焊接功率值并在该设定值保持设定时段以对金属基体进行熔化焊接，最后激光脉冲功率下降至零完成焊接。

所述的激光脉冲波形的峰值工作功率为Pp,峰宽为tp，设定值段的焊接功率为Pw，峰宽为tw，其中，所述的激光脉冲的初始快速上升段时间为tp1，应保证上升速率等于或高于1kW/ms，从功率Pp快速下降到设定焊接功率值的时间为tp2，功率快速下降速度等于或高于0.5kW/ms，功率从设定焊接功率值下降至零没有特殊限制，以从峰值下降至设定焊接功率快速下降段速率的一半为宜。Pp*tp=Ec`=k*h*Ec，Ec`为烧蚀焊接部位镀层所实际需要激光提供的能量，Ec为烧蚀该部位镀层所需的理论能量，k为与激光物理特性、激光与材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素并考虑凝聚态固体热蒸发的动力学而确定，h为修正系数，即为其与工件基体的材质和热物理特性、凝聚态固体热蒸发动力学、工件形状几何参数以及工件与镀层厚度相关的修正系数，工件厚度小于1mm时，k值在10-30，h值在4.4-20.0，tp值在1-5ms。即利用一个激光脉冲实现先激光烧蚀后激光焊接，其中激光烧蚀（laser Ablation）是以激光束辐射从固体表面去除材料的工艺。

具体来说，首先根据镀层工件镀层的形状、厚度及其在激光光斑下的面积，确定需要烧蚀的镀层金属的体积Vc，然后根据Vc及镀层材料的特性计算出这一定量的镀层金属烧蚀蒸发所需的能量Ec，然后结合参数k和h的选择，确定为实现激光烧蚀所需的能量k*h*Ec,最后依据k*h*Ec设计脉冲波形的前半部分功率Pp，根据Pp*tp设计确定给定激光器光泵的工艺参数。对于以氙灯作为激光激发光源的Nd:YAG固体激光器，即为确定氙灯的工作参数。

具体地说，当常规薄金属工件厚度小于1mm时，k值在10-30，h值在4.4-20.0，tp值在1-5ms，具体值的数值的选择需要视工况进行具体调整，在此不再赘述。

优选地，当所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面镀镍层时，工件厚度小于1mm，镀层厚度小于10μm，所述的k值在15-30，h值在8-20。

优选地，所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面铜镀层，工件厚度小于1mm，镀层厚度小于10μm，所述的k值在10-25，h值在10-20。

利用激光脉冲的前半部分烧蚀掉镀层后再进行金属基体间的熔化焊接，这一段可用相对较低的功率，当薄金属工件的基体材料为钢材时，所述的平段焊接功率Pw=b*Pp，tw=d*Tp，Pw为激光脉冲的焊接工作功率，tw为激光脉冲焊接工作时宽，其中系数b=0.1-0.7，系数d=1.5-10。

综上所述，通过上述计算，可得出脉冲激光焊单个脉冲的波形，首先功率快速上升至峰值，以保证较小区域的局部加热镀层烧蚀，然后功率降至某一值保持一定时段，完成金属基体间的熔化焊接。

以一个IT业的工件焊接为例：其中基体为厚度0.3mm的304不锈钢件，表面有3μm厚的镀镍层，需在其上装配焊接M0.8外径1.8mm的螺母。参考上述方法中和实际工况计算得出Pb=800w，Pw=400w，其中，tp=1.4ms，tw=3.2ms，快速上升时间0.3ms，上升速率2.7kw/ms,快速下降时间0.3ms，下降速率为1.3kw/ms。按图2所示波形调节参数后将不锈钢件与螺母接触定位，然后按程序对预定焊点进行激光烧蚀和焊接，图3给出焊点分布排列。

图4给出不锈钢件的截面可看到镀层情况，图5给出焊点截面，看到实现螺母基体与镀层不锈钢薄板件基体间的激光熔化焊接，镀层被烧蚀去掉不再存在，基体与螺母熔化焊接，同时测试表明以图2波形的激光脉冲焊接的焊点的结合强度高于300N，满足使用要求，实现量产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种镀层厚度小于10μm的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，首先将待焊接的部件定位然后调整光泵输出一个激光脉冲，所述的激光脉冲在初始时功率快速上升至峰值然后保持预定时段以对焊接区域局部加热并将该区域的镀层烧蚀，然后激光脉冲的功率快速下降至设定焊接功率并保持设定时段以对金属基体进行熔化焊接，最后将激光脉冲的功率下降至零完成激光焊接。

2.如权利要求1所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的功率快速上升的上升速率等于或高于1kW/ms。

3.如权利要求1或2所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的快速下降的下降速率等于或高于0.5kW/ms。

4.如权利要求3所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的激光脉冲的峰值工作功率为Pp,峰宽为tp，设定焊接功率段的工作功率为Pw，峰宽为tw，其中，Pp*tp=Ec`，tp在1-5ms,设定值段的焊接功率Pw=b*Pp，tw=d*Tp，系数b=0.1-0.7，系数d=1.5-10。

5.如权利要求4所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的Ec`=k*h*Ec,其中，Ec为烧蚀镀层所需的理论能量，k为与激光物理特性、激光与材料相互作用、激光能量被材料吸收以及光散射因素有关的系数，h为与材料热物理特性、工件形状几何参数以及工件与镀层厚度相关的修正系数，对于基体厚度小于1mm，镀层厚度小于10μm的薄金属工件，k值在10-30，h值在4.4-20.0。

6.如权利要求5所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金属工件的基体为不锈钢或低合金结构钢。

7.如权利要求5所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面镀镍层，所述的k在15-30，h在8-20。

8.如权利要求5所述的薄金属工件的激光焊接方法，其特征在于，所述的薄金属工件为镍铬不锈钢表面镀铜层，所述的k在10-25，h在10-20。

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