CN104759723B - 一种激光焊接装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接装置及方法，其中，焊接装置包括控制单元、激光器和光学整形单元；激光器的控制端与控制单元的控制端连接；光学整形单元置于激光器输出光束的光路上，其光轴方向与激光器输出光束的中心方向重合；光学整形单元对激光器输出光束进行整形，输出的均匀条形光斑照射在焊接生产线上；本发明公开的激光焊接方法基于上述装置，采用均匀条形光斑照射移动的焊接生产线上的工件，熔化焊料，实现工件焊接；为实现电子元器件双面电极焊接的目的，本发明提出利用反射聚焦镜将未被待焊接工件遮挡的激光反射到待焊接工件的背面，实现对背面电极的焊接。本发明的提供的激光焊接装置简单，焊接方法可有效节能，并能有效提高良品率。

Description

一种激光焊接装置与方法

技术领域

本发明属于电子元器件激光钎焊技术领域，更具体地，涉及一种激光焊接装置与焊接方法。

背景技术

目前，电子元器件的引脚焊接主要是采用高温电炉，使电子元器件引脚上的焊料熔化，经冷却后，达到电子元器件与引脚焊接在一起的目的。该方法技术成熟、工艺稳定，但能耗高，占地大，工人的工作环境恶劣。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光焊接装置与焊接方法，其目的在于采用激光加热替代高温电炉加热，在保证焊接良品率的同时解决现有焊接技术能耗高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光焊接装置，包括控制单元、第一激光器和第一光学整形单元；其中，第一激光器和第一光学整形单元构成第一光学系统；第一激光器与控制单元的第一控制端连接；第一光学整形单元置于第一激光器输出激光束的光路上，第一激光器输出激光束的中心方向与第一光学整形单元的光轴重合；应用于焊接生产时，第一光学整形单元输出激光束正对焊接生产线；

其中，控制单元用于根据焊接生产效率、待焊接工件间距以及生产线移动速度设置第一激光器的工作参数，包括第一激光器输出激光的功率与激光照射时间；第一激光器根据工作参数调整输出的激光束；第一光学整形单元通过聚焦、扩束、反射、折射以及准直的手段将激光束整形成均匀条形光斑；其中，待焊接工件间距是指两个待焊接件中心点之间的间距；焊接生产效率和生产线移动速度则视生产实际的情况而定。

优选的，本发明提供的激光焊接装置还包括反射聚焦镜，应用于焊接生产时，反射聚焦镜与第一光学系统分别置于焊接生产线两侧；反射聚焦镜长边方向的光轴与沿焊接生产线水平方向的夹角Φ在大于0度小于45度范围内可调；反射聚焦镜用于将从待焊接工件间隙穿过的激光反射聚焦至待焊接工件的背面；其中，背面是指背向第一光学整形单元的一面。

进一步优选的，本发明提供的激光焊接装置还包括第二激光器和第二光学整形单元，第二激光器和第二光学整形单元构成第二光学系统；其中，第二激光器与控制单元的第二控制端连接；第二光学整形单元置于第二激光器输出光束的光路上，第二激光器输出光束的中心方向与第二光学整形单元的光轴重合；应用于焊接生产时，第一光学系统位于焊接生产线的正面，输出均匀条形光斑照射到待焊接工件的正面；第二光学系统位于焊接生产线的背面，输出均匀条形光斑照射到待焊接工件的背面。

进一步优选的，第一光学系统与第二光学系统的相对位置可调，通过调整第一光学系统与第二光学系统，使得第一光学系统输出的均匀条形光斑与第二光学系统输出的均匀条形光斑之间的夹角θ在大于0度小于90度的范围内；用于焊接生产时，第一光学系统与第二光学系统对称放置在焊接生产线的两侧，通过调整夹角θ以避免两套光学系统输出的条形光斑的光轴重合而互相干扰。

进一步优选的，第一光学系统与第二光学系统的相对位置可调，通过调整第一光学系统与第二光学系统，使得第一光学系统输出的均匀条形光斑与第二光学系统输出的均匀条形光斑平行，但光斑覆盖范围不重合；用于焊接生产时，第一光学系统与第二光学系统平行错位放置在焊接生产线的两侧；完全避免了两个条形光斑的光轴重合而互相干扰的可能性。

另一方面，为实现本发明目的，还提供了一种采用本发明的激光焊接装置进行激光焊接的方法，具体如下：

(1)根据焊接生产效率、待焊接工件间距以及生产线移动速度确定焊接所需的激光功率和激光照射时间；

(2)根据激光功率和激光照射时间调整激光器工作参数，使之输出相应激光束；

(3)对以上步骤获取的激光束进行光学整形，通过聚焦、扩束、反射、折射以及准直的手段将激光束整形成均匀条形光斑；

(4)采用均匀条形光斑照射沿水平方向匀速移动的焊接生产线，作用于待焊接工件，使得待焊接工件上的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的正面与电子元器件正面的引脚焊接在一起，完成单面焊接；其中，指电子元器件面向光学整形单元的一面。

优选的，为实现块状电子元器件双面电极焊接的目的，还进一步的提供了一种激光焊接方法，采用上述包括反射聚焦镜的激光焊接装置，通过反射聚焦镜将未被待焊接工件遮挡的均匀条形光斑反射到待焊接工件的背面，完成背面电极的焊接，具体如下：

(1)根据焊接生产效率、待焊接工件间距以及生产线移动速度确定焊接所需的激光功率和激光照射时间；

(2)根据激光功率和激光照射时间调整激光器工作参数，使之输出相应激光束；

(3)对以上步骤获取的激光束进行光学整形，通过聚焦、扩束、反射、折射以及准直的手段将激光束整形成均匀条形光斑；

(4)采用均匀条形光斑照射沿水平方向匀速移动的焊接生产线，作用于待焊接工件，使得待焊接工件上的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的正面与电子元器件正面的引脚焊接在一起，完成正面电极焊接；

同时，从待焊接工件间隙穿过的均匀条形光斑经反射聚焦镜反射到待焊接工件的背面，作用于待焊接工件背面，使得待焊接工件背面的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的背面与电子元器件背面的引脚焊接在一起，完成背面电极焊接；其中，正面是指电子元器件面向光学整形单元的一面。

进一步优选的，激光功率与激光照射时间具体如下确定

激光功率＝最佳功率密度参数*条形光斑面积；

激光照射时间＝均匀条形光斑长度/焊接生产线移动速度；

其中，最佳功率密度参数是指单个工件单面焊接完成且不损伤电子元器件所需的激光功率，单位为瓦/厘米²，对于各类电子元器件而言，取值不同；

焊接生产线移动速度＝待焊接工件间距*单位时间焊接数；单位时间焊接数根据焊接生产效率确定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的激光焊接装置采用激光能源，由于激光的能量分布相对集中，能量利用率高，且激光具有方向性好的特点，可进行定向加热，而激光器自身能耗低，因此大规模可节省大量电力资源；

(2)本发明提供的激光焊接装置体积小，易于集成到各种电子元器件焊接生产线中；

(3)由于本发明提供的激光焊接方法采用均匀长条光斑静止而待焊接工件运动的设计，相对于待焊接工件静止而激光光斑运动的焊接方法，本发明的方法采用的工件运动更好控制；若采用工件静止而激光光斑运动的方法，要达到同样的效果，则需要添加空间扫描系统来实现，因此，本发明采用的方法简便可行，有效地减小了控制单元与人机界面的复杂度；

(4)本发明的优选方案提供的一种激光焊接装置，采用双面同时焊接的方法消除了待焊接工件正反两个面的应力差，使得焊料与待焊接工件均匀熔接，焊接的良品率由此得到提高；

(5)本发明提供的激光焊接装置和焊接方法，采用长条形光斑作用于焊接生产线，对于待焊接工件而言，作用于其上的激光能量密度相对较低而作用时间相对较长，工件缓慢均匀焊接，相对于短时间内采用高能量密度激光的方法，本发明的采用条形光斑的方法，不易损坏待焊接工件，使得焊接的良品率得到进一步提高。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的激光焊接装置的整体结构示意图；

图2是采用实施例1提供激光焊接装置实现单面焊接的示意图；

图3是本发明实施例2提供的双面焊接的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明实施例3提供的双面焊接的示意图；

图6是本发明实施例4提供的双面焊接的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为控制单元、2为第一激光器、3为第一光学整形单元、4为焊接生产线、5为待焊接工件、6为电子元器件正面引脚、7为正面均匀条形光斑、8为反射聚焦镜、9为电子元器件背面引脚、10为背面均匀条形光斑。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的激光焊接装置包括控制单元和光学系统；光学系统由激光器与光学整形单元构成；其中，激光器与控制单元的控制端连接；光学整形单元置于激光器输出激光束的光路上，激光器输出激光束的中心方向与光学整形单元的光轴重合；应用于焊接生产时，光学整形单元输出激光束正对焊接生产线；为更好的回收利用激光功率，加入反射聚焦镜实现双面焊接；为使得双面焊接的效果更好，采用两套光学系统，以使得到达待焊接工件双面的激光功率密度保持一致，让焊接效果达到最佳。

实施例1以采用一套光学系统的激光焊接装置为例，来阐述本发明；如图1所示，实施例1的激光焊接装置包括控制单元1、第一激光器2和第一光学整形单元3；控制单元1控制第一激光器2的输出激光功率和激光照射时间；第一光学整形单元3对第一激光器单元2输出的激光束进行光斑整形，形成均匀条形光斑；整形后的均匀条形光斑照射到以速度V匀速运动的焊接生产线4的待焊接工件上，使得待焊接工件上的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的一面与电子元器件正面的引脚焊接在一起，完成引脚焊接。

图2所示是实施例1提供的激光焊接装置实现单面焊接的示意图，焊接生产线4上的待焊接工件等间距分布，待焊接工件5和电子元器件引脚6以恒定速度V穿过均匀条形光斑7的正面照射区域；激光作用于工件产生热效应，使得焊料熔化；工件从照射区域完全穿过，在非照射区域冷却后，待焊接工件的一面与电子元器件一面的引脚焊接在一起；在单面焊接过程中，减小工件的间距，可以提高焊接加工速度，并降低所需的激光功率。

实施例2以加入了反射聚焦镜的激光焊接装置为例，来阐述本发明的焊接方法，实施例2采用的激光焊接装置包括控制单元1、第一激光器2、第一光学整形单元3和反射聚焦镜8；图3所示是实施例2提供双面焊接的示意图，待焊接工件正面的焊接方法与实施例1相同；待焊接工件背面的焊接方法具体为：条形光斑7的未被待焊接工件遮挡的光束由反射聚焦镜8反射至待焊接工件5的背面，作用于工件5的背面产生热效应，使得焊料熔化，将电子元器件的背面引脚9与工件5焊接在一起，完成待焊接工件的双面焊接。

图4所示的是图3的俯视图，可以看到，反射聚焦镜8长边方向的光轴与沿焊接生产线水平方向的有一定的夹角Φ，穿过待焊接工件间隙的光束照射到反射聚焦镜8上，被反射聚焦镜8反射到待焊接工件的背面，通过激光的热效应实现对工件背面的焊接；可通过调节夹角Φ，使得到达待焊接工件正面与背面的激光功率密度相同；调节范围大于0小于45度。

实施例3以采用两套对称放置的光学系统的激光焊接装置为例，来阐述本发明，图5所示意的是实施例3实现双面焊接的示意图，在实施例3中，第一光学系统放置在焊接生产线的正面，第二光学系统放置在焊接生产线的背面，两者沿焊接生产线对称，第一光学系统输出的均匀条形光斑与第二光学系统输出的均匀条形光斑之间的夹角为θ，θ在大于0度小于90度的范围内可调；通过调整该夹角θ以避免两套光学系统输出的条形光斑的光轴重合而互相干扰；待焊接工件和电子元器件引脚以恒定速度V穿过均匀条形光斑7和均匀条形光斑10的照射区域；激光作用于工件产生热效应，使得焊料熔化；工件从照射区域完全穿过，在非照射区域冷却后，待焊接工件的两面分别与电子元器件两面的引脚焊接在一起，完成双面焊接。

实施例4以采用两套平行错位放置的光学系统的激光焊接装置为例，来阐述本发明，图6所示意的是实施例4实现双面焊接的示意图，在实施例4中，第一光学系统与第二光学系统平行错位放置在焊接生产线的两侧，两个光学系统产生的均匀条形光斑7和10平行，但光斑覆盖范围不重合；待焊接工件和电子元器件引脚以恒定速度V穿过均匀条形光斑7和均匀条形光斑10的照射区域；激光作用于工件产生热效应，使得焊料熔化；工件从照射区域完全穿过，在非照射区域冷却后，待焊接工件的两面分别与电子元器件两面的引脚焊接在一起，完成双面焊接。

在实施例3和实施例4中，还可加入能量回收装置，以回收自工件间隙穿过的激光并加以利用；4个实施例相比较而言，实施例4所提供的激光焊接装置是焊接效果最好且最易实现的方案；实施例2是双面焊接方案里成本最低的一种方案，但在调节反射聚焦镜的角度以使待焊接工件双面承受的激光功率密度一致方面，操作复杂度相对较高；与现有技术的高温电炉加热的焊接装置与焊接方法比较而言，本发明提供的焊接装置与焊接方法，能耗低，体积小，易于集成到现有焊接生产线上，可在很大程度上改善焊接工作环境。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光焊接装置，包括控制单元、第一激光器和第一光学整形单元，第一激光器和第一光学整形单元构成第一光学系统；

第一激光器与控制单元的第一控制端连接；第一光学整形单元置于第一激光器输出激光束的光路上，第一激光器输出激光束的中心方向与第一光学整形单元的光轴重合；应用于焊接生产时，第一光学整形单元输出激光束正对焊接生产线；

其中，控制单元用于根据焊接生产效率、待焊接工件间距以及生产线移动速度设置第一激光器的工作参数；第一激光器根据工作参数调整输出的激光束；第一光学整形单元用于将激光束整形成均匀条形光斑；

所述激光焊接装置还包括反射聚焦镜，所述反射聚焦镜用于将从待焊接工件间隙穿过的激光反射聚焦至待焊接工件的背面；其中，背面是指背向第一光学整形单元的一面。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，将所述激光焊机装置应用于焊接生产时，所述反射聚焦镜与第一光学系统分别置于焊接生产线两侧；反射聚焦镜长边方向的光轴与沿焊接生产线水平方向的夹角Φ在大于0度小于45度范围内可调。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括第二激光器和第二光学整形单元，第二激光器和第二光学整形单元构成第二光学系统；其中，第二激光器与控制单元的第二控制端连接；第二光学整形单元置于第二激光器输出光束的光路上，第二激光器输出光束的中心方向与第二光学整形单元的光轴重合；应用于焊接生产时，第一光学系统与第二光学系统分别置于焊接生产线两侧，输出均匀条形光斑分别照射到待焊接工件的正面与背面。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，第一光学系统与第二光学系统的相对位置可调，通过调整第一光学系统与第二光学系统，使得第一光学系统输出的均匀条形光斑与第二光学系统输出的均匀条形光斑之间的夹角θ在大于0度小于90度的范围内；用于焊接生产时，第一光学系统与第二光学系统对称放置在焊接生产线的两侧，通过调整夹角θ以避免两套光学系统输出的条形光斑的光轴重合而互相干扰。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，第一光学系统与第二光学系统的相对位置可调，通过调整第一光学系统与第二光学系统，使得第一光学系统输出的均匀条形光斑与第二光学系统输出的均匀条形光斑平行，但光斑覆盖范围不重合；用于焊接生产时，第一光学系统与第二光学系统平行错位放置在焊接生产线的两侧；避免了两个条形光斑的光轴重合而互相干扰的可能性。

6.一种基于权利要求1所述的激光焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述方法具体如下：

(1)根据焊接生产效率、待焊接工件间距以及生产线移动速度确定焊接所需的激光功率和激光照射时间；

(2)根据激光功率和激光照射时间调整激光器工作参数，使之输出相应激光束；

(3)通过对所述激光束依次进行聚焦、扩束、反射、折射以及准直处理后，获得均匀条形光斑；

(4)采用均匀条形光斑照射沿水平方向匀速移动的焊接生产线，作用于待焊接工件，使得待焊接工件上的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的正面与电子元器件正面的引脚焊接在一起，完成正面电极的焊接；其中，正面是指电子元器件面向光学整形单元的一面；

(5)在单面焊接的同时，将从待焊接工件间隙穿过的均匀条形光斑经反射聚焦镜反射到待焊接工件的背面，作用于待焊接工件背面，使得待焊接工件背面的焊料熔化，经冷却后，待焊接工件的背面与电子元器件背面的引脚焊接在一起，完成背面电极的焊接。

7.如权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，焊接所需的激光功率与激光照射时间具体如下确定：

激光功率＝最佳功率密度参数*条形光斑面积；

激光照射时间＝均匀条形光斑长度/焊接生产线移动速度；

其中，最佳功率密度参数是指单个工件单面焊接完成且不损伤电子元器件所需的激光功率，单位为瓦/厘米²，对于不同种类的电子元器件而言，取值不同；

焊接生产线移动速度＝待焊接工件间距*单位时间焊接数；其中，单位时间焊接数根据焊接生产效率的要求确定。