CN106735893A - 一种实现激光微焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光焊接技术领域,公开一种实现激光微焊接的方法,该方法包括:设置CW数字调制模式,包括设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比;根据该调制信号对激光加工设备的激光器出光信号进行数字调制;激光器在其出光信号有效期间输出多个短脉冲方波。本发明通过对现有ms级激光器或者连续激光器的出光信号进行调制,使激光以较小平稳的方波多脉冲形式出光,以较小的功率实现单点多脉冲焊接,从而满足0.1mm以下薄板材料、高反材料的焊接要求,实现ms级激光器在微米、纳米量级精密微焊接领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域,具体涉及一种实现激光微焊接的方法。
背景技术
目前微激光加工技术已经应用到了生产和生活的许多方面,尤其是微型IT产品、电子元器结构件的精密焊接需要先进的设备、精细的工艺以及精确的控制方式来实现。
对上述微型结构件焊接时,通常需要对0.1mm以下的薄板材料、高反材料(如铜合金、铝合金类)进行焊接,要达到理想的焊接效果需要满足以下特点:焊接熔池小、高温及极短的工艺时间;焊接熔池的温度极高,常常超过合金的沸点;在加热过程中,随着脉冲的持续,蒸发率也随之快速上升;在脉冲终止时,由于焊接熔池的快速冷却,蒸发率几乎即刻降至极低值。显然,较小的激光功率更适用于微焊接领域,它能够在热敏材料附近进行熔焊连接,能够实现微小结构件的连接,且无需任何物理接触。
而焊接领域常用的ms级激光器或者连续激光器,由于其脉冲频率低、峰值能量高,很难符合微米、纳米量级精密焊接的特点,在对薄板进行焊接时,极易造成薄板击穿,并且难以做到0.1mm以下的焊点,因此其多用于0.2mm以上的中厚板焊接,而对0.1mm以下的薄板材料、高反材料焊接,却望而却步。
因此,有必要对现有的激光焊接设备进行改进,以使其适用于微焊接领域的应用,特别是针对薄板、高反材料焊接获得良好的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种实现激光微焊接的方法,使得现有ms级激光器能够满足0.1mm以下薄板材料、高反材料焊接的需求。
为达到上述目的,本发明实现激光微焊接的方法包括:
设置CW数字调制模式,包括设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比;
根据该调制信号对激光加工设备的激光器出光信号进行数字调制;
激光器在其出光信号有效期间输出多个短脉冲方波。
进一步地,所述激光器为YAG激光器。
进一步地,所述激光器为QCW光纤激光器。
进一步地,所述激光器为连续光纤激光器。
进一步地,所述设置CW数字调制模式的步骤,是通过对激光加工设备上位机控制软件的修改实现的。
进一步地,所述方波波长为μs~ns可调。
进一步地,所述调制频率为10~50KHz。
进一步地,所述占空比为10%~50%。
进一步地,激光器单个出光周期输出的脉冲方波数<20。
本发明通过对现有ms级激光器或者连续激光器的出光信号进行调制,使激光以较小平稳的方波多脉冲形式出光,以较小的功率实现单点多脉冲焊接,从而满足0.1mm以下薄板材料、高反材料的焊接要求,实现ms级激光器在微米、纳米量级精密微焊接领域的应用。
附图说明
图1是本发明多脉冲形成焊点示意图;
图2是本发明连续出光模式下数字调制时序图;
图3是本发明脉冲出光模式下数字调制时序图;
图4(a)、4(b)是采用本发明方法对钢板进行叠焊的效果图。
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。
传统毫秒级激光器或者连续激光器,如YAG激光器、QCW光纤激光器、连续光纤激光器(但不仅限于上述激光器)在焊接薄不锈钢板时,易击穿且焊点较大;在焊接高反材料时,因其自身的不稳定性以及在固态时对激光的吸收率低,常出现爆点、虚焊现象。
为了解决上述问题,本发明对现有激光焊接设备上位机的控制软件进行修改,在软件中增设CW数字调制模式,设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比等参数,根据该调制信号对激光器出光信号进行调制,使激光器出光信号有效期间输出多个短脉冲方波,最终得以以较小的功率实现单点多脉冲焊接,以满足薄板、高反材料的焊接要求。通过多脉冲形成焊点的原理如图1所示。
具体地,当激光触发信号为高电平时,即控制端口使能信号等于1时,控制信号无效;当激光器触发信号为低电平时,即控制端口使能信号等于0时,控制信号有效(反之亦可)。在现有激光加工设备中加入CW数字调制模式,即在设备上位机中对控制软件进行修改,加入调制频率、出光频率和占空比。其调制过程可参考图2、图3。
图2为连续出光模式下加入CW数字调制后的时序图,对于连续出光模式,通过给定调制频率信号、占空比后,最终使得激光输出波型为在其出光期间形成多个短脉冲波。其中t1为调制周期,t2为占空比,t1的倒数即为调制频率。
图3为脉冲出光模式下加入CW数字调制后的时序图,对于脉冲出光模式,通过给定调制频率信号、出光频率信号、占空比后,最终实现激光器一个出光信号周期内有多个短脉冲波,出光完成经过一段时间间隔后又重复出光。在脉冲出光模式下,调制频率信号和出光频率信号同步控制激光器输出波型。其中t3为脉冲宽度,t4为脉冲间隔时间,t4的倒数即为出光频率。
调制频率范围在几KHz~几千KHz内可调,调制周期可从μs~ns级,每个输出方波波长从μs~ns可调,占空比0~100%。经CW数字调制后,外控信号每触发一次,在激光器触发信号为低电平期间,即激光器出光期间会连续输出多个方波,因此选择CW数字调制后的脉冲方波,可以以较小且平稳的激光功率进行焊接,最终达到良好的焊接效果。
本实施例以厚度为0.09mm厚的304不锈钢叠焊为例,对经CW数字调制后的焊接效果进行说明。针对0.1mm以下的薄板叠焊,要求焊点在0.1mm以下,并要求有一定的强度。
在0.6×0.5mm区域内焊接6×5的点阵,采用CW模式脉冲出光,设置出光时间,设定点间距为0.1mm,激光焊接功率为180W,出光频率为10~50KHz,占空比为10~50%,出光时间设置为0.15ms,即外控触发一次,调制后出光的脉冲数<20,焊接效果如图4(a)所示。
在0.6×0.5mm区域内焊接6×5的点阵,采用CW模式脉冲出光,设置出光时间,设定点间距为0.1mm,激光焊接功率为170W,出光频率为10~50KHz,占空比为10~50%,出光时间设置为0.1ms,即外控触发一次,调制后出光的脉冲数<20,焊接效果如图4(b)所示。
由图4(a)、4(b)可以看出,经CW数字调制后,对薄板进行焊接时未出现薄板被击穿现象,焊点直径在0.1mm范围内,焊点可靠,符合要求。
综上,本发明通过对激光器出光信号的控制方式进行改制,以较小平稳的方波多脉冲的方式实现薄不锈钢板、薄高反材料的焊接,来解决现有工艺不成熟的问题。通过对出光信号进行数字调制,触发一次出光信号,可以实现多个脉冲输出,从而以较小的功率实现单点多脉冲焊接。
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、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实现激光微焊接的方法,其特征在于,该方法包括:
设置CW数字调制模式,包括设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比;
根据该调制信号对激光加工设备的激光器出光信号进行数字调制;
激光器在其出光信号有效期间输出多个短脉冲方波。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述激光器为YAG激光器。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述激光器为QCW光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述激光器为连续光纤激光器。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:所述设置CW数字调制模式的步骤,是通过对激光加工设备上位机控制软件的修改实现的。
6.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:所述方波波长为μs~ns可调。
7.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:所述调制频率为10~50KHz。
8.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:所述占空比为10%~50%。
9.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:激光器单个出光周期输出的脉冲方波数<20。
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