CN106077953B - 一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法和系统,一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，包括通过支架依次设置的纳秒激光器、扩束镜、振镜扫描偏转装置和光束聚焦透镜，纳秒激光器发出的激光光束经扩束镜、振镜扫描偏转装置、光束聚焦透镜发射到待焊接的数个金属薄板。通过本发明的系统结构和方法，可以通过控制器控制纳秒激光器的发射时间强度等，通过控制器控制振镜扫描偏转装置的偏转角度，或通过薄板托具调整待焊接的金属薄板的位置，使通过本发明所述系统产生的微量级的激光光束在待焊接的技术薄板上形成多个按预设路线设置的细微焊点具有更强的咬合力，同时不会对金属有过大的热影响。

Description

一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法和系统
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种利用纳秒激光进行薄板金属叠焊焊接的方法。
背景技术
随着激光技术的发展，激光焊接也被越来越多厂家认可，在食品，医药，军工，汽车，电子等行业也有大规模应用。在3C制造领域，薄板金属通常作为电子产品的内部结构件等，生产过程中一般采用胶粘。这种方式在现在产品集成度越来越高的要求下，已达不到产品设计要求，从而失去作用。
薄板金属焊接技术是一种将两种或两种以上薄板金属融合在一起的技术。传统激光在薄板焊接时，如图4所示，一般采用ms激光进行焊接，通过将两种材料液化后融合在一起，形成一个U型的咬合区域。因为激光峰值的差异，形成的融合物理特性不同，使得ms激光焊接在薄板异种金属，薄板金属焊接存在金属不易融合、焊接强度差等问题。同时ms激光焊接对材料的热影响热变形也更大。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法和系统，能够对金属薄板进行焊接，并且具有很强的咬合力。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，将纳秒激光器发出的激光光束发射至叠放的待焊金属薄板形成焊接点，每束激光光束穿透上层金属薄板并进入下层金属薄板形成一个细微焊点，焊接点由多个细微焊点密集排列形成。
较佳地，控制器控制振镜扫描偏转装置按预设路线偏转，使数个细微焊点按预设路线依次排列形成焊接点；
较佳地，通过移动待焊金属薄板或薄板托具调整焊接位置和角度。
较佳地，使数个细微焊点按预设路线依次排列形成焊接点时的形式包括：在一个焊接点形成的螺旋状排列形式、网状排列形式或折线状排列形式，
较佳地，螺旋状排列形式、网状排列形式或折线状排列形式中的各个细微焊点与前后相邻的两个细微焊点之间的间距不大于0.5mm。
较佳地，上层金属薄板的厚度不大于1mm。
本发明还提供一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，包括通过支架依次设置的纳秒激光器、扩束镜、振镜扫描偏转装置和光束聚焦透镜，纳秒激光器发出的激光光束经扩束镜、振镜扫描偏转装置、光束聚焦透镜发射到待焊接的数个金属薄板，纳秒激光器的发射控制端和振镜扫描偏转装置的偏转控制端均分别连接于控制器的两个信号输出端。
较佳地，纳秒激光器、扩束镜、振镜扫描偏转装置、光束聚焦透镜分别通过可移动的支架设置在工作台上，待焊接数个金属薄板层层叠放在工作台上；光束聚焦透镜对准工作台上的待焊接数个金属薄板设置；待焊接数个金属薄板层层叠放在薄板托具上，薄板托具可移动的设置在工作台上。
较佳地，振镜扫描偏转装置包括两个镜片，两个镜片分别连接于X轴驱动臂和Y轴驱动臂，X轴驱动臂和Y轴驱动臂分别连接于X轴电机和Y轴电机的输出端。
较佳地，激光光束发射至待焊接的金属薄板上形成的光斑直径不大于100μm。
本发明的有益效果在于：本发明通过光束传输聚焦系统将纳秒激光器产生的激光聚焦于薄板金属，可以通过控制器控制纳秒激光器的发射时间强度，通过控制器控制振镜扫描偏转装置的偏转角度，或通过薄板托具调整待焊接的金属薄板的位置，使通过本发明所述系统产生的微量级的激光光束在待焊接的金属薄板上焊接点处形成多个细微焊点，并使多个细微焊点按预设路线布置，在焊接点处形成多个钉状细微焊点构成的齿状咬合区域，具有更强的咬合力。避免板材过薄或异种金属不易融合，实现薄板金属融合。本发明通过光束传输聚焦系统将激光聚焦于薄板金属。纳秒激光器相比于传统激光焊接纳秒激光器拥有更小的脉冲宽度(1ms＝1000us，1us＝1000ns)，更高的峰值功率，高反金属也能有效吸收，实现对金属的气化和液化，多个按预设路线设置的细微焊点共同形成的钉状咬合区域相较于传统的U型区域具有更强的咬合力，同时不会对金属有过大的热影响。
附图说明
图1为本发明实施例一的焊接效果剖面结构示意图；
图2为本发明实施例二的系统结构示意图；
图3为本发明实施例二的光路示意图；
图4为传统激光焊接效果的剖面结构示意图。
1-纳秒激光器，2-扩束镜，3-振镜扫描偏转装置，4-光束聚焦透镜，5-控制器，6-上层金属薄板，7-下层金属薄板，8-细微焊点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，将纳秒激光器1发出的激光光束发射至叠放的待焊金属薄板形成焊接点，每束所述激光光束穿透上层金属薄板6并进入下层金属薄板7形成一个细微焊点8，焊接点由多个细微焊点8密集排列形成。
激光光束经振镜扫描偏转装置3可形成的一定幅面的激光光束，通过控制振镜镜片偏转角度，可控制激光光束按特定轨迹发射至叠放的待焊金属薄板。数个细微焊点8在焊接点处形成钉状咬合区域，具体来说各个细微焊点8内充满了激光光束所经过区域的上层金属薄板6和下层金属薄板7的物料气化或液化进而融合并凝固后的物质。
控制器5控制振镜扫描偏转装置3按预设路线偏转，使数个细微焊点8按预设路线依次排列形成焊接点。还可以通过移动待焊金属薄板或薄板托具，调整焊接位置和角度。
数个细微焊点8按预设路线依次排列形成焊接点时的排列形式包括：在一个焊接点排列形成的螺旋状排列形式、网状排列形式、折线状排列形式。螺旋状排列形式、网状排列形式或折线状排列形式中的各个所述细微焊点(8)与前后相邻的两个所述细微焊点(8)之间的间距不大于0.5mm。
控制器5还根据金属薄板的厚度材质控制纳秒激光器1按不同的预设强度发出激光光束。
本发明采用纳秒激光器1，优势在于脉冲宽度小，峰值高，击穿上层金属薄板6，使下层金属气化和液化上升到上层金属层凝固，从而使上下两层金属间形成大量细微焊点8，数个细微焊点8在焊接点处形成钉状咬合区域，实现薄板金属融合如图3所示。纳秒激光器1发出的激光束经过扩束镜2后，由激光振镜扫描偏转装置3传输到聚焦透镜，激光束在薄板金属聚焦到微米级别后，通过控制器5高速打大量微孔的，使下层金属气化和液化上升到上层金属层凝固，从而形成大量微细钉状咬合。
本发明通过光束传输聚焦系统将激光聚焦于薄板金属，实现薄板金属的钉状咬合，从而解决了板材过薄或异种金属不易融合的问题，实现薄板金属融合。相比于ms激光器，ns激光器拥有更小的脉冲宽度(1ms＝1000us，1us＝1000ns)，更高的峰值功率，高反金属也能有效吸收，实现对金属的气化和液化，多个按预设路线设置的细微焊点8相较于传统的U型区域具有更强的咬合力，同时不会对金属有过大的热影响。
本实施例中光斑聚焦到微米级别(≤100um)，上层金属薄板6(≤1mm)，上层金属薄板6可包括两层或两层以上的金属薄板，且总厚度≤1mm；下层金属薄板7可以换位为厚板(≥1mm)。
实施例二
一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，包括通过支架依次设置的纳秒激光器1、扩束镜2、振镜扫描偏转装置3和光束聚焦透镜4，纳秒激光器1发出的激光光束经扩束镜2、振镜扫描偏转装置3、光束聚焦透镜4发射到待焊接的数个金属薄板，纳秒激光器1的发射控制端和振镜扫描偏转装置3的偏转控制端均分别连接于控制器5的两个信号输出端。
纳秒激光器1、扩束镜2、振镜扫描偏转装置3、光束聚焦透镜4分别通过可移动的支架设置在工作台上，光束聚焦透镜4与振镜扫描偏转装置3之间通过螺纹配合结构连接在一起。
待焊接数个金属薄板层层叠放在工作台上；光束聚焦透镜4对准工作台上的待焊接数个金属薄板设置；待焊接数个金属薄板层层叠放在薄板托具上，薄板托具可移动的设置在工作台上。
激光光束发射至待焊接的金属薄板上形成的光斑直径不大于100μm。
扩束镜2主要作用是将激光束的光斑进行扩大，减少激光的发散角，有利用激光更好的聚焦。振镜扫描偏转装置3包括两个镜片，两个镜片分别连接于X轴驱动臂和Y轴驱动臂，X轴驱动臂和Y轴驱动臂分别连接于X轴电机和Y轴电机的输出端。聚焦透镜是一种激光光学器件，在其内部透过一组镜片组实现对激光的聚焦，得到激光加工所需要的微米级大小的光斑。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，其特征在于：将纳秒激光器(1)发出的激光光束发射至叠放的待焊金属薄板形成焊接点，每束所述激光光束穿透上层金属薄板(6)并进入下层金属薄板(7)形成一个细微焊点(8)，所述焊接点由多个所述细微焊点(8)密集排列形成；使数个所述细微焊点(8)按预设路线依次排列的形式包括：在一个焊接点形成的螺旋状排列形式、网状排列形式或折线状排列形式。
2.根据权利要求1所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，其特征在于：控制器(5)控制振镜扫描偏转装置(3)按预设路线偏转，使所述数个细微焊点(8)按所述预设路线依次排列形成所述焊接点。
3.根据权利要求1所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，其特征在于：通过移动所述待焊金属薄板或薄板托具调整焊接位置和角度。
4.根据权利要求1所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，其特征在于：所述螺旋状排列形式、所述网状排列形式或所述折线状排列形式中的各个所述细微焊点(8)与前后相邻的两个所述细微焊点(8)之间的间距不大于0.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的方法，其特征在于：所述上层金属薄板(6)的厚度不大于1mm。
6.一种利用如权利要求1-5任一项所述方法对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，其特征在于：包括通过支架依次设置的纳秒激光器(1)、扩束镜(2)、振镜扫描偏转装置(3)和光束聚焦透镜(4)，所述纳秒激光器(1)发出的激光光束经所述扩束镜(2)、所述振镜扫描偏转装置(3)、所述光束聚焦透镜(4)发射到待焊接的数个金属薄板，所述纳秒激光器(1)的发射控制端和所述振镜扫描偏转装置(3)的偏转控制端均分别连接于控制器(5)的两个信号输出端；所述纳秒激光器(1)、所述扩束镜(2)、所述振镜扫描偏转装置(3)、所述光束聚焦透镜(4)分别通过可移动的支架设置在工作台上，所述待焊接数个金属薄板层层叠放在所述工作台上；所述光束聚焦透镜(4)对准所述工作台上的所述待焊接数个金属薄板设置。
7.根据权利要求6所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，其特征在于：所述振镜扫描偏转装置(3)包括两个镜片，两个所述镜片分别连接于X轴驱动臂和Y轴驱动臂，所述X轴驱动臂和所述Y轴驱动臂分别连接于X轴电机和Y轴电机的输出端。
8.根据权利要求6或7所述的一种对金属薄板进行纳秒激光焊接的系统，其特征在于：所述激光光束发射至所述待焊接的金属薄板上形成的光斑直径不大于100μm。
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