CN106825923B - 一种3c键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法，包括以下步骤：（1）采用50‑150W的Fiber激光器作为焊接光源；（2）激光光学器件的配置：采用振镜作为焊接光束运动组件；采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件；（3）焊接前对铝架、铝板的预处理；（4）铝架、铝板的摆放与压合；（5）确定激光参数设置与工艺重点；（6）激光被振镜扫描形成的图案的轨迹与工艺方法：由外至内进行圆形的螺旋形填充，或采用与轮廓渐变的环状线填充的轨迹，或采用平行的线条连续或者线条不连续的填充的轨迹；（7）整个键盘多个焊坑自动化运行：采用XY十字平台+振镜分割进行拼接焊接。

Description

一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及金属焊接技术领域，特别是一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法。

背景技术

现有技术中，铝板与铝架组件通常采用超声波摩擦焊、电阻碰焊、YAG激光点焊等焊接方式。

超声波摩擦焊：工作原理是通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于接触面的热量不能及时散发，聚集在焊区，致使两个焊接物的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。缺点：焊接时需要很大的施工空间，而键盘的铝质组件是立体复合半封闭式的对铆工件，不允许有这么大的施工空间；超声波摩擦焊是双面接触式焊接，需要很强的应力，会直接将双侧的工件产生凹陷，严重影响外观；需要模具压合焊接，模具不很很小，很难满足键盘铝质组件对接面积只有2-3mm²的情况，且极易损坏模具；焊接速度慢，焊接一个5mm²面积需要4-10秒，且需要10-20秒钟进行装夹；难以实现对键盘铝质组件的自动化焊接。

电阻碰焊：接触式加工，需要上下通电，在接触点形成电加热场从而形成焊接效果。缺点：出点比较大，出点容易断而造成虚焊、焊接不一致；电阻焊焊接时需要很大的施工空间，而键盘的铝质组件是立体复合半封闭式的对铆工件，不允许有这么大的施工空间；不适合焊接本身是储电放电的工件。

YAG激光点焊：非接触式焊接，依靠YAG激光器发射的脉冲激光点而形成焊接，焊斑最小可达0.4mm。但缺点是：YAG焊接工艺适合焊单个的点、或者由单个的点形成的线条，不适合做大面积的焊接；YAG激光焊接厚度为0.4mm左右的高反铝质材料时，激光能量穿透后对底部1.8mm板材的穿透深度小，在焊接面积小于2mm²时焊接强度低，拉力小，往往小于10N；YAG整机占地面积大（整套系统约需3-5平方米），能耗高（约10KW），有耗材（氙灯、光纤、保护镜片、滤芯、水等），焊斑会随氙灯的衰减而变弱，从而导致焊点不一致，长期运行不稳定；焊接效率相对传统焊接高，但效率只有本工艺的20-50%。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法。

本发明的一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法采用以下技术方案：

一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法，包括如下步骤：

（1）激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源，激光器采用MOPA、调Q、QCW准连续脉冲等类型；

（2）激光光学器件的配置：采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25、30mm的振镜作为焊接光束运动组件；采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格为F=100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330、350mm中任一种；

（3）焊接前对铝架、铝板的预处理；

（4）铝架、铝板的摆放与压合；

（5）确定激光参数设置与工艺重点；

（6）激光被振镜扫描形成的图案的轨迹与工艺方法：由外至内进行圆形的螺旋形填充，内侧半径≈0.04mm，线间距0.02-0.1mm，外径1-2mm；或采用与轮廓渐变的环状线填充的轨迹，外轮廓可以是圆形、多边形、规则或者不规则的其他图形；或采用平行的线条连续或者线条不连续的填充的轨迹；

（7）整个键盘多个焊坑自动化运行：采用XY十字平台+振镜分割进行拼接焊接，采用机械手装载振镜所在的光路的整体移动进行分割焊接。

进一步地，铝架规格为1.8mm，铝板规格为0.4mm。

进一步地，步骤（7）中，焊接时需要对焊区进行保护气体覆盖，可以采用Ar2、N2或空气对焊区进行保护气体覆盖。

进一步地，步骤（3）中，铝架为机加成型且被做过阳极氧化处理，且用激光打标机将图纸标定的与铝板接触处的阳极层破坏掉；铝板为冲压成型且未被阳极氧化处理，铝板上在图纸标定的坐标位置冲压出数个深度＜1mm的、底部都位于一个平面上的、用于与铝架接触的焊接凹坑。

进一步地，焊接凹坑有以下几种中任一种：中央圆形坑、边上半圆形坑、边上条状或圆弧状坑。

进一步地，步骤（4）中，铝架位于下方铝板位于上方，装好键盘内的软板、按键等组件后，按设计图纸将铝架、铝板对好位置后，放入仿形治具中，仿形治具底部与铝架充分接触，顶部能够将铝板充分压合，以便铝板与铝架能够充分接触，且每个焊坑都受力均匀。

本发明的优点在于：采用60-150W级别的中低功率光纤激光器作为焊接光源、减少焦深波动的光学系统、一系列的焊接工艺方法来焊接该类型组件，从而实现以下技术效果：

1.解决了高能量密集度的激光光束带来的焦深波动现象。

2.实现了单个焊接处的拉拔力≥15N，实现整体对拉拉力大于200N。

3.实现了各个焊接点的产品一致性与长期稳定可靠性。

4.实现了四个角与四条边的搭接处的可靠性与高强度。

具体实施方式：

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

在一种优选实施方式中，本发明的一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法，包括如下步骤：

1、激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源，激光器可以是MOPA、调Q、QCW准连续脉冲等类型，但绝不能使用YAG、直接半导体等类型激光。

2、激光光学器件的配置与重点注意事项：

采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25、30mm的振镜作为焊接光束运动组件。

采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格可以是：F=100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330、350mm等。

本配置可以有效减少高能量密集与较高功率场合结合在一起时，激光在大范围内光点一致、焦深一致，焦深不随时间、环境温度变化而变化的情况。

注意事项：2.2可减少焦点随加工时间变长、透镜温度升高而产生焦距变短的现象；若采用普通的K9材质的场镜往往会有大范围内焦深随时间、环境温度变化而变化的情况，易造成焊接不稳定、不一致现象。

3、焊接前对铝架、铝板的预处理：

3.1、铝架通常机加成型且被做过阳极氧化处理，需要用激光打标机将图纸标定的与铝板接触处的阳极层破坏掉；

3.2、铝板通常冲压成型且未被阳极氧化处理，铝板上已在图纸标定的坐标位置冲压出数个深度＜1mm的、底部都位于一个平面上的、用于与铝架接触的焊接凹坑（以下简称为“焊坑”）；焊坑有以下几种：中央圆形坑（直径约2.2mm）、边上半圆形坑（直径约2.2mm）、边上条状或圆弧状坑等。如果铝板底部有脏污，需要进行清洗处理（包含用激光打标机进行去污渍处理）。

4、铝架、铝板的摆放与压合

4.1、1.8mm的铝架位于下方，0.4mm的铝板位于上方，装好键盘内的软板、按键等组件后，按设计图纸将铝架、铝板对好位置。

4.2、将他们放入仿形治具中，仿形治具底部必须与铝架充分接触，顶部能够将铝板充分压合，以便铝板与铝架能够充分接触，且每个焊坑都受力均匀。

激光参数设置与工艺重点列表：

激光参数	参数值	工艺重点（在其他参数不变时）
			功率	40-110W	1、若功率设置偏小，则焊痕越窄，表面热现象越少，焊池熔深越浅，拉力偏小，甚至难以形成焊接现象；2、若功率偏大，则焊痕越宽，表面气化现象越严重，焊池熔深越深，拉力因气化太多、焊斑周围材料变脆而丧失，可能因焊接过度而失去意义；3、若功率适中，则焊痕合适，焊池熔深0.05-0.4mm，表面气化现象不严重，材质可靠，焊接件互相熔接良好，拉力可≥20，试验中曾达到74N，普遍是≥35N。
频率	60-650KHz	一般选用略高于该激光器当前脉宽所对应的“功率降频率”1-10%的频率，以免造成功率低于预设功率，或单点能量比预设的少。
			脉宽	20-200ns	一般选用20-200ns，过低会造成吸收比少而需要大幅加大功率设置，过高会产生过多的气化现象而影响焊接效果。

6、激光被振镜扫描形成的图案的轨迹与工艺方法

控制软件设定了激光的特色后，一但开启就会发出相应的光束。该光束在铝板、铝架间如何排布、形成多大面积的图案，填充密度、方向、及填充形式直接影响了焊接效果。

经我们多次实验获得数据如下：

6.1、采用呈圆形的螺旋形填充的轨迹，具体工艺细节及效果如下：

6.1.1由内至外进行圆形的螺旋形填充，内侧半径≈0.04mm，线间距0.02-0.1mm，外径1-2mm。按本填充形成的焊接轨迹使用合理的参数焊接后，结果是：内部焊接不充分，外侧边沿容易因热胀冷缩过于剧烈而产生龟裂现象。

6.1.2由外至内进行圆形的螺旋形填充，内侧半径≈0.04mm，线间距0.02-0.1mm，外径1-2mm。按本填充形成的焊接轨迹使用合理的参数焊接后效果会很好：中心焊接充分，铝板边沿由接触面至非焊接面的过度明朗，材料的强度不错，不易变脆、拉力一般比YAG的高，通常≥30N，有Ar2或N2气体保护的情况下拉力可达到70N。

6.2、采用与轮廓渐变的环状线填充（即：回型填充）的轨迹，外轮廓不一定是圆形，可以是多边形、规则或者不规则的其他图形时，具体工艺细节及效果如下：

整个轮廓可以是多边形（可以有倒角）、圆形或椭圆形，面积约1-3mm²，内部环状线的线间距0.02-0.1mm，

6.3、采用平行的线条连续或者线条不连续的填充的轨迹

6.4、采用只形成外围一圈（单线、或者经过重复填充形成的环状）的轨迹：当环形形成的焊接宽度小于0.4mm、环形外径小于1.5mm时，焊接拉力小于15N。

7、整个键盘多个焊坑实现自动化运行的工艺办法

常规键盘的平面尺寸大约是：长300-500mm，宽110-200mm。

焊接这样的尺寸时采用的工艺办法如下：

7.1、采用XY十字平台+振镜分割进行拼接焊接。具体有以下三种方法：

方法1、采用工件做XY运动、振镜及光路静止的方法：

XY十字平台装载键盘及夹具进行XY2D运动，当运动到指定区域时，XY平台停止，控制系统控制激光及振镜在指定的坐标（一个或者多个坐标）进行焊接。

方法2、采用工件静止、振镜及光路做XY运动的方法：

焊接时键盘及夹具静止，XY十字平台装载着振镜及部分光路系统进行XY2D运动，当运动到指定区域时控制系统控制XY静止，并控制激光及振镜在指定的坐标（一个或者多个坐标）进行焊接。

方法3、采用工件做X(或Y)运动、振镜及光路做Y（或X）运动的方法：

本方法是采用半龙门结构，将工件位于下方、振镜光路位于上方，二者各做1D运动，经系统控制形成二维运动；当到达设定位置时，系统控制激光及振镜在指定的坐标（一个或者多个坐标）进行焊接。

7.2、采用机械手装载振镜所在的光路的整体移动进行分割焊接：

焊接时，机械手装载振镜所在的光路的整体进行运动，当到达设定的位置是，机械手静止，系统指挥振镜及激光在指定的坐标（一个或者多个坐标）进行焊接。

8、焊接过程中吹气保护系统的工艺方法。

焊接时需要对焊区进行保护气体覆盖（直接吹气或形成保护气体池），气体种类以及用气方式下表：

种类	吹气方式	吹气气压	时长	注意事项
					Ar2	对吹或保护池	0.05-10bar	同步
N2	对吹或保护池	0.05-4bar	同步	气压过大易形成氮化铝、不牢固
					空气	对吹	0.05-2bar	同步	气压过大易氧化、焊接不牢固

若不吹气体，当焊点不密集时(间距＞10mm)可以用于焊接，但飞溅物容易伤害镜头，烟尘容易影响焊接效果。本发明利用FIBER激光器产生的高能量密集度的激光光束，通过合理的光学器件，稳定的输出到焊接处，穿透上层铝块；再通过振镜运动形成设定的轨迹，巧妙形成一定面积的焊痕，同时利用高速焊接时堆垒焊痕可相互作用形成熔深比较深的熔池，在吹气保护等工艺的配合下，就形成了牢固的焊接。

本工艺方法作用下整个键盘的拉力、抗震、抗摔等破坏实验数据优越于YAG焊接工艺；采用FIBER激光器作为焊接光源，比YAG灯泵浦激光器运行更稳定；比超声波、电阻碰焊、YAG焊接工艺更快的速度；加工空间上比超声波、电阻碰焊小；加工速度是超声波、YAG的3-10倍；能耗比YAG小约8-10倍；综合减低运营成本3-8倍；社会效益大。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）激光器选型：采用50-150W的Fiber激光器作为焊接光源，激光器采用MOPA、调Q、或QCW准连续脉冲类型；

（2）激光光学器件的配置：采用适合于光斑直径是10、12、14、16、18、20、25或30mm的振镜作为焊接光束运动组件；采用石英或者聚合物场镜作为聚焦光学组件，场镜的规格为F=100、130、150、160、163、165、170、210、220、254、270、330、350mm中任一种；

（3）焊接前对铝架、铝板的预处理；铝架为机加成型且被做过阳极氧化处理，且用激光打标机将图纸标定的与铝板接触处的阳极层破坏掉；铝板为冲压成型且未被阳极氧化处理，铝板上在图纸标定的坐标位置冲压出数个深度＜1mm的、底部都位于一个平面上的、用于与铝架接触的焊接凹坑；焊接凹坑有以下几种中任一种：中央圆形坑、边上半圆形坑、边上条状或圆弧状坑；

（4）铝架、铝板的摆放与压合；铝架位于下方铝板位于上方，装好键盘内的软板、按键组件后，按设计图纸将铝架、铝板对好位置后，放入仿形治具中，仿形治具底部与铝架充分接触，顶部能够将铝板充分压合，以便铝板与铝架能够充分接触，且每个焊坑都受力均匀；

（5）确定激光参数设置与工艺重点；

（6）激光被振镜扫描形成的图案的轨迹与工艺方法：由外至内进行圆形的螺旋形填充，内侧半径≈0.04mm，线间距0.02-0.1mm，外径1-2mm；或采用与轮廓渐变的环状线填充的轨迹，外轮廓可以是圆形、多边形、规则或者不规则的其他图形；或采用平行的线条连续或者线条不连续的填充的轨迹；

（7）整个键盘多个焊坑自动化运行：采用XY十字平台+振镜分割进行拼接焊接，或采用机械手装载振镜所在的光路的整体移动进行分割焊接；焊接时需要对焊区进行保护气体覆盖，可以采用Ar2、N2或空气对焊区进行保护气体覆盖。

2.如权利要求1所述的一种3C键盘中铝板与铝架组件的焊接工艺方法，其特征在于：铝架规格为1.8mm，铝板规格为0.4mm。