CN108031939B

CN108031939B - 一种激光焊接磁性材料的方法

Info

Publication number: CN108031939B
Application number: CN201711106130.3A
Authority: CN
Inventors: 林卿
Original assignee: Wuhan Lingyun Photoelectronic System Co ltd
Current assignee: Wuhan Lingyun Photoelectronic System Co ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN108031939A

Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种激光焊接磁性材料的方法。在盆架的待焊接部位涂覆一层软钎料，并利用激光照射融化，形成预上软钎料层；在边磁铁和中心磁铁顶部放置钎料片；将盆架以预上软钎料层朝下的方式倒置于钎料片上，并在盆架顶部施加压力，使预上软钎料层与钎料片紧密接触；采用激光照射盆架顶部至钎料片完全融化；焊接部位冷却后，取消施加在盆架顶部的压力，焊接完成。本发明焊接强度更高；焊接完成后对材料表面不产生破坏无痕迹；避免了高激光峰值能量造成磁性材料碎裂的可能。

Description

一种激光焊接磁性材料的方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种激光焊接磁性材料的方法。

背景技术

现代消费类电子产品如手机、PDA、便携电脑、耳机内通常都安装有能发声的微型扬声器装置。附图1和附图2就是常规的微型扬声器的内部示意图(不含振膜)，它一般由边磁体1、中心磁体2、盆架3组成，盆架3上靠近边磁体1的位置通常加工有溢胶槽4。边磁体1和中心磁体2在微型扬声器领域通常使用铷铁硼(NdFeB)磁性材料，为防止氧化表面镀锌进行保护。铷铁硼磁性材料实际是一种合金粉末与胶压制烧结而成类似陶瓷的物质，它并不是真正的金属、没有金属那样的热熔性和延展性，不能使用熔化-焊接的方式与其它金属或与自身连接，一般来说只能使用胶水进行粘接。盆架3一般使不锈钢带经过加工形成，自身具有抗氧化性表面一般不再进行其它处理。边磁体1和中心磁体2与盆架3需要按照一定要求进行永久固定。作为便携设备的一部分使用中滑落、碰撞时微型扬声器中磁体与盆架常发生分离造成扬声器失效。为尽可能减小这种现象就要求边磁体与盆架之间可承受的剪切力尽可能的大，通常剪切力大于0.3N/mM2。磁体与不锈钢的固定方法常规有如下几种：

常规方法1：连接两种材料使用热压法(附图3)。在边磁体1和盆架3之间加入热固化胶水5；在边磁体1上放置一个保持温度稳定的压块6，将压块6使用一定的力量压在边磁体1和盆架3上一段时间通过热传导加热胶水5。胶水5受热后逐渐凝固将两个接触面的零件紧密连接在一起。该方法的优点是简单可靠、无需其它昂贵的焊接设备。但其存在的缺陷也很明显使用高分子材料的胶水粘接后两者的剪切力限制，同时随着使用时间的延长胶水有老化变脆的趋势进一步降低剪切力；胶水在热固化过程中会释放有机气体对环境造成影响。该方法是业界常规的微型扬声器磁体固定方法。

常规方法2：激光熔接焊法。将边磁体1和盆架3紧密接触后从盆架3的背面使用高脉冲能量的激光进行直接焊接，盆架3和边磁体1焊点处吸收激光能量后融化形成一个类似高硬度的合金熔池，通过增加激光焊接点的数量提高两者之间的剪切力。这种方法对于焊接两种金属材料非常适合，能达到极高的剪切力和拉力。但实际情况是熔池在永磁材料一侧会围绕熔池形成致密的裂纹降低焊接强度。清华大学学报(自然科学版)2008年第48卷第11期对于SPCC钢与NdFeB磁性材料的激光焊接进行详细测试，证明该方法不适用于磁性材料。

常规方法3：软钎焊焊接法。将边磁体1和盆架3之间填充锡膏后使用传统的回流焊方法进行加热焊接。由于扬声器中的边磁体1和中心磁体2都是表面镀锌，镀层与钎料可以发生浸润；钎料与不锈钢也可以发生浸润因此最终形成合金材料将两者紧密焊接在一起。与传统方法1和2相比剪切力有极大增加，但该方法存在致命不足永磁材料的居里点通常为100-300摄氏度左右，而软钎料焊接温度基本都超过200摄氏度、回流焊接过程至少需要几十秒的时间。在这个缓慢的焊接过程中磁性材料内部的磁偶极矩排列发生混乱，表现为材料的磁极化强度逐渐降低最终为零失去了材料本应有的功能。

常规方法4：激光软钎焊法，与常规方法3相同仍旧是在边磁体1、中心磁体2和盆架3之间填充钎料用激光短时间照射焊接区域，使两者之间的钎料温度快速上熔化结晶形成合金。这种方法焊接时间通常只需要1-2秒，在短的时间内磁性材料内部的磁偶极矩混乱现象有限，材料的磁极化强度仅有轻微下降仍旧具有实用意义。与常规方法3相同由于也是合金连接两种材料因此剪切力远远高于常规方法1和常规方法2。但该方法也存在严重的不足，钎料在短时间的快速升温会发生爆裂飞溅和锡珠8；焊接时间过短钎料与不锈钢的浸润效果不好在两者结合面的内容常出现空洞9问题如附图4所示。焊接飞溅的问题需要在后期增加清洗工序在日益严格的环保政策面前几乎没有厂家会选择该方案；另外焊接面形成的空洞会降低产品的一致性和良品率增加故障隐患，由于空洞在焊接面内部仅能用过X光进行检测这大大增加了测试难度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种焊接强度高、不飞溅、无空洞的激光焊接磁性材料的方法。

本发明的技术方案为：包括以下步骤：

步骤1：在盆架的待焊接部位涂覆一层软钎料，并利用激光照射融化，形成预上软钎料层；

步骤2：在边磁铁和中心磁铁顶部放置钎料片；

步骤3：将盆架以预上软钎料层朝下的方式倒置于钎料片上，并在盆架顶部施加压力，使预上软钎料层与钎料片紧密接触；

步骤4：采用激光照射盆架顶部至钎料片完全融化；

步骤5：焊接部位冷却后，取消施加在盆架顶部的压力，焊接完成。

较为优选的，所述步骤1还包括：利用激光对盆架的待焊接区进行表面处理，使待焊接区表面形成干净的光滑表面，所述软钎料涂覆与所述光滑表面上。

较为优选的，利用激光对盆架的待焊接区进行表面处理时，所述激光的功率50W、频率50KHz，且激光焦点正好落在待焊接表面。

较为优选的，所述软钎料为锡膏。

较为优选的，所述钎料片是由与软钎料相同合金成分制作的片状焊料，所述片装焊料为锡片。

较为优选的，所述步骤1和步骤4中，激光采用从待焊接部位前端匀速运动至末端，再返还至前端的方式进行往复扫描。

较为优选的，所述步骤1和步骤4中，激光采用离焦的方式进行照射。

较为优选的，所述锡膏涂覆厚度为0.1mm。

较为优选的，所述步骤1中，激光功率为30W，频率为150KHz，照射时间为25秒。

较为优选的，所述步骤4中，激光功率为50W，频率为150KHz，照射时间为25秒。

本发明的有益效果：本发明在步骤1和步骤4中所使用的激光可以是同一激光器产生，仅需要根据工艺要求调节不同的脉宽、频率和离焦量即可。实际电子产品钎料焊接中一般采用锡合金制成的锡膏或锡丝，由于不锈钢与锡合金钎料焊接实际浸润效果不好、焊接时间较长，远远比不上铜、银、锌等的焊接。

为提高锡合金与不锈钢的浸润效果增强剪切力，本发明步骤1前对不锈钢表面进行“清洗”处理，利用激光高峰值功率的特点去除表面有机物污染和金属毛刺最终形成类似镜面的效果，增强剪切力。

步骤1中使用锡膏而不是使用锡片也是为了利用同等体积的锡膏与锡片相比助焊剂含量远远高于后者的特点，大量助焊剂和较长的焊接时间可以让锡合金与不锈钢表面充分发生浸润，为后续步骤提供基础，与直接在不锈钢表面增加镀层相比本发明无电镀污染、无需贵金属有利于环保和降低成本。

步骤2使用锡片作为钎料而不再使用锡膏是利用锡片在短时间快速升温的条件下不会产生爆裂和飞溅的特点、锡片所含助焊剂含量远远小于锡膏不易在内部因为助焊剂挥发形成空洞影响焊接质量、焊接完成后残留的助焊剂较少的特种，综合这几个优点可以省略焊接完成后的化学清洗助焊剂和锡珠的工序避免了环境污染和降低成本。

另外，通过预先在盆架表面形成与钎料片同种材料的合金层可以增强盆架与边磁体、中心磁体焊接后的剪切力；极大的减少钎料片在盆架上浸润所需时间等同于缩短加热时间，直接减小焊接的高温对边磁体和中心磁体中微观磁偶极矩排列混乱减轻了磁性材料特性的影响。

相对于传统方法1，本发明连接磁性材料与不锈钢使用的是钎料，钎料与磁性材料表面镀层、钎料与不锈钢表面形成是合金浸润的金属键连接，其强度远远大于使用胶水；而且不会随着使用时间推移焊接强度(剪切力)发生下降；特别是在高温下工作机械性能不会降低；当采用无铅无卤钎料(如锡膏)时对环境无污染。

相对与传统方法2，本发明焊接强度更高；焊接完成后对材料表面不产生破坏无痕迹；避免了高激光峰值能量造成磁性材料碎裂的可能。

相对于传统方法3，本发明大幅缩短了磁性材料实际加热时间，减小了永磁体内磁偶极矩不规则排列的程度、减小了焊接后剩磁大幅度下降甚至消失的问题。

相对于传统方法4，本发明在步骤2中采用锡片作为钎料而不再使用锡膏，避免了传统激光软钎料焊中钎料膏在短时间加热爆裂、飞溅形的问题避免了后续清洗工艺、减少了助焊剂挥发在焊接层内部形成空洞的概率，提高良品率降低检验要求。

附图说明

图1、图2为常规的微型扬声器的内部示意图(不含振膜)；

图3为热压法示意图；

图4为激光软钎焊法示意图；

图5为激光扫描路径示意图；

图6为利用激光进行激光表面处理的示意图；

图7、8为预上软钎料层在盆架上的分布示意图；

图9为本发明焊接示意图；

图10为本发明焊接完成图；

图中：1—边磁体，2—中心磁体，3—盆架，4—溢胶槽，5—胶水，6—压块，7—钎料，8—锡珠，9—空洞，10—光滑表面，11—不锈钢表面，12—激光束，13—预上软钎料层，14—钎料片，15—单一钎料层。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明一种激光焊接磁性材料的方法的焊接过程如下：

步骤1：对盆架3待焊接区域进行激光表面处理，降低表面粗糙度、去掉表面污渍。脉冲式激光基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体产生冲击波；冲击波使污染物变成碎片并被剔除。如附图6所示，激光束12聚焦到盆架3表面将原本粗糙有污染的不锈钢表面11变为平整干净的光滑表面10。这个过程激光束12在盆架3表面按照一定形状来回扫描直到表面污染已被清洁干净。激光束扫描的方式如图5所示，即激光以从盆架的前端(或后端)匀速扫描至后端(或前端)，再返回至前端(或后端)的方式进行往复扫描。清洁完毕后，在待焊接部位涂一层软钎料如附图7所示，使用激光束12对软钎料进行照射加热，软钎料熔化与盆架3不锈钢材料充分浸润，形成如图8所示的预上软钎料层13。其中，激光束12同样按照附图5的形式在待焊接区域来回扫描，在整个扫描过程中激光保持较低的功率输出、激光离焦于工作面使软钎料的温度缓慢上升最终达到熔点。

步骤2：以附图9的方式在边磁铁1和中心磁铁2顶部放置钎料片14。

步骤3：将经过步骤1处理的盆架3以预上软钎料层13朝下的方式倒置于钎料片14上，在盆架3上施加向下的压力使边磁铁1、中心磁铁1与盆架3之间的预上钎料层13、钎料片14紧密接触。

步骤4：使用激光束12照射盆架3的反面(即盆架顶面)并按照附图5所示的方法来回移动扫描使待焊接区域温度均匀升高，直至钎料片完全融化，在整个激光照射过程中激光保持高功率输出来达到快速升高盆架3温度的功能。

步骤5：激光束12照射完毕后保持压力不变，直至自然冷却后取消施加在盆架顶部的压力，完成整个焊接过程，最终实现如图10所示的单一钎料层15连接边磁体1、中心磁体2。

本发明的边磁体1和中心磁体2是一种稀土合金永磁体，主要成分是铷铁硼经过粉末冶金的方式制作而成，磁性材料在焊接完成前未进行充磁、磁性材料表面有镀层锌用于防止氧化。边磁体1和中心磁体3的尺寸大小对本发明所述的方法无影响，磁性材料表面的镀层能与钎料发生浸润。

本发明所述的盆架3是一种不锈钢材料制作用于固定边磁体1和中心磁体2的不导磁的结构件。盆架表面是否进行过表面处理对本发明所述的方法无影响。

本发明步骤1中的激光束是一种具有峰值功率的脉冲激光、可以是固体激光器、光纤激光器或泵浦激光器产生，其波长为1000-1100nM，脉宽小于100nS、功率不小于50W，并具有聚焦装置可以将激光汇聚到零件表面。

本发明所述的软钎料指的是由焊锡粉、助焊剂以及其它的表面活性剂、触变剂等加以混合形成的膏状混合物本文简称锡膏。软钎料的材料配方需要能与盆架、中心磁体和边磁体的镀层发生浸润，熔点温度不能高于350摄氏度。预上钎料层13是一种由软钎料8经过加热熔化结晶后形成的合金层。钎料片14是一种由软钎料相同合金成分制作的片状焊料，其内包含有微量助焊剂，用于填充盆架3与边磁体1和中心磁体2之间的间隙并在磁体周围形成钎料包裹的效果。上述的软钎料和钎料片均为现有的锡合金焊接用产品，如软钎料常规的有同德牌锡膏(成份Sn99Cu0.7Ag0.3)，钎料片如千住牌直径0.8mM锡丝经过机械碾轧成片。

本发明步骤4中的激光束是一种无峰值功率的连续激光或低峰值功率的脉冲激光、可以是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器、半导体泵浦激光器等、其波长800-1100nM、激光功率10-120W。本发明所述的方法仅利用激光的辐射加热原理，对激光器的类型无要求。

以下为一个具体实施例：

步骤1：对盆架3待焊接区域进行激光表面处理，降低表面粗糙度、去掉表面污渍。激光束扫描的方式如图5所示，即激光以从盆架的前端(或后端)匀速扫描至后端(或前端)，再返回至前端(或后端)的方式进行往复扫描。清洁完毕后，在待焊接部位涂一层锡膏如附图7所示，锡膏为0.1mM厚。使用激光功率30W、频率150KHz的激光束12对软钎料离焦照射25秒，软钎料熔化与盆架3不锈钢材料充分浸润，形成如图8所示的预上软钎料层13。其中，激光束12同样按照附图5的形式在待焊接区域来回扫描。其中，边磁体尺寸2.5*1.8*20mM，中心磁体5.5*2.0*19mM，激光器使用IPG公司YLPN-V2 10-50W型纳秒光纤激光器。进行激光表面处理时，设定激光功率50W、频率50KHz、激光焦点正好落在待焊接表面，并按照如图5的方法移动激光1次即可在盆架不锈钢表面形成类似镜面的清洗效果。

步骤2：以附图9的方式在边磁铁1和中心磁铁2顶部放置厚度为0.1mM的锡片。

步骤3：将经过步骤1处理的盆架3以预上软钎料层13朝下的方式倒置于钎料片14上，在盆架3上施加向下的0.5N压力使边磁铁1、中心磁铁1与盆架3之间的预上钎料层13、钎料片14紧密接触。

步骤4：使用激光功率50W、频率150KHz的激光束12按照附图5所示的方法离焦扫描照射盆架3的反面(即盆架顶面)2.5S，并使待焊接区域温度均匀升高，直至钎料片完全融化，在整个激光照射过程中激光保持高功率输出来达到快速升高盆架3温度的功能。

焊接完成冷却后测试单位剪切力大于1N/mM^2、从1.5米高处做跌落试验100次中心磁体和边磁体未出现脱落、磁性材料最大磁能积BH＝305kj/m3(未经过焊接磁性材料340kj/m3),磁性材料性能仅有小幅度下降。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光焊接磁性材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：在边磁铁和中心磁铁顶部放置钎料片；

步骤4：采用激光照射盆架顶部至钎料片完全融化；

2.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于，所述步骤1还包括：利用激光对盆架的待焊接区进行表面处理，使待焊接区表面形成干净的光滑表面，所述软钎料涂覆于所述光滑表面上。

3.如权利要求2所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：利用激光对盆架的待焊接区进行表面处理时，所述激光的功率50W、频率50KHz，且激光焦点正好落在待焊接表面。

4.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述软钎料为锡膏。

5.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述钎料片是由与软钎料相同合金成分制作的片状焊料，所述片状焊料为锡片。

6.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述步骤1和步骤4中，激光采用从待焊接部位前端匀速运动至末端，再返还至前端的方式进行往复扫描。

7.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述步骤1和步骤4中，激光采用离焦的方式进行照射。

8.如权利要求4所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述锡膏涂覆厚度为0.1mm。

9.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述步骤1中，激光功率为30W，频率为150KHz，照射时间为25秒。

10.如权利要求1所述激光焊接磁性材料的方法，其特征在于：所述步骤4中，激光功率为50W，频率为150KHz，照射时间为25秒。