CN108176922A - 一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统及焊接方法。包括多个平行设置的光路，每个光路均包括激光光源、传输光纤、柱面镜组和楔形镜，多个平行光路经楔形镜后形成汇聚光路，柱面镜组包括Y方向柱面镜组和X方向柱面镜组，Y方向柱面镜组包括Y方向平凸柱面镜和Y方向平凹柱面镜，X方向柱面镜组包括X方向平凸柱面镜和X方向平凹柱面镜；柱面镜组对激光束在X方向和Y方向上进行调整，形成椭圆光束，椭圆光束经楔形镜汇聚后形成用于进行密集多点焊接的工作激光。能在同一台设备上同时实现不同焊盘尺寸、不同焊盘间距、不同焊点功率设置的多点同时焊接系统，具有较高的效率和加工精确度。

Description

一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统及焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统及焊接方法。
背景技术
随着电子行业的科学技术的飞速发展，电子产品越来越轻薄短小，对电子的零组件的尺寸精度要求越来越高，连接器行业也首当其冲。新一代USB Type C连接器的尺寸更小，焊脚距离更小，焊接工艺越来越复杂，传统焊接方法难以满足焊接效率和成品率的要求。由于焊盘尺寸小，间距密集，传统烙铁焊接工艺通常无法完成。热压焊接方法能够快速地完成焊接，但容易造成元件变形等损伤。新型激光焊接方法是一种无接触式的焊接工艺，不会对元件造成应力伤害。然而通常的激光焊接工艺均为采用半导体激光单光束单点照射的方式，每次只能照射一个焊盘，焊接效率太低。另外，由于同一产品上的焊盘尺寸通常存在差异，单个光源难以兼顾不同形状和尺寸的焊盘的有效焊接。使用多个激光光源同时照射，能够显著地提高焊接效率，但是因为半导体激光光束质量较差，发散角较大，在密集多点光斑设计中存在空间排布上的困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种结构设计简便，空间排布紧凑，光斑尺寸形状可变，工作距离长的用于密集多点同时焊接的激光输出系统及焊接方法。
本发明一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其技术方案为：该用于密集多点同时焊接的激光输出系统包括多个光路，每个所述光路均包括依次设置于同一光轴上的激光光源(1)、传输光纤(2) 和柱面镜组，所述柱面镜组包括Y方向柱面镜组和X方向柱面镜组，所述Y方向柱面镜组包括Y方向平凸柱面镜(5)和Y方向平凹柱面镜(6)，所述X方向柱面镜组包括X方向平凸柱面镜(7)和X 方向平凹柱面镜(8)；
所述激光光源(1)发出的激光束(10)经传输光纤(2)入射至柱面镜组，所述柱面镜组对激光束(10)在X方向和Y方向上进行调整，形成在椭圆截面方向上长短轴比例满足规定的激光束，所述用于密集多点同时焊接的激光输出系统的多个光路在出射端向中部倾斜，实现多个光路的汇聚；
其中，所述X方向和Y方向在激光束横截面上互成90°夹角。
较为优选的，当所述用于密集多点同时焊接的激光输出系统中的多个光路为平行设置时，通过在每个光路的柱面镜组末端设置楔形镜，实现多个光路的汇聚。
较为优选的，所述Y方向平凸柱面镜设置于所述Y方向平凹柱面镜的前端，所述X方向平凸柱面镜设置于所述X方向平凹柱面镜的前端。
较为优选的，所述Y方向平凸柱面镜和Y方向平凹柱面镜平行设置，所述X方向平凸柱面镜和X方向平凹柱面镜平行设置。
较为优选的，所述传输光纤的光纤输出端与柱面镜组之间设有准直镜。
较为优选的，所述激光光源的波长为1000～1100纳米，光束质量 M2因子小于等于2。
较为优选的，所述传输光纤的光纤芯径小于10um，数值孔径小于 0.12。
本发明一种激光焊接方法，其技术方案包括以下步骤：
步骤1：将待焊接的导线导体在锡炉中上锡；
步骤2：在焊盘表面涂覆锡膏；
步骤3：将待焊接的导线导体压在焊盘与锡膏上，利用激光束照射焊盘；
步骤4：设置激光输出功率为P1，对焊盘上的锡膏进行预热；
步骤5：设置激光输出功率为P2，对焊盘上的锡膏进行升温；
步骤6：设置激光输出功率为P3，对焊盘上的锡膏进行融化，实现导线导体与焊盘的焊接；
步骤7：设置激光输出功率为P4，对焊接处进行持续照射，直至达到标定时间；
其中，功率P1<P4<P2<P3。
较为优选的，所述功率P1为15％～20％，P2为38％～45％，P3为 75％～85％，P4为21％～25％。
较为优选的，所述步骤4～步骤7完成时间在3～10秒内。
本发明的有益效果：将传统单点激光焊接方式改进为多点同时激光焊接，采用单模光纤激光光源进行光束整形，并且每一个光束光斑尺寸和激光功率可以单独设置，满足不同焊盘尺寸的多点同时焊接应用。每一对柱面镜的有效焦距通过改变两片柱面镜之间的间距调整，从而改变椭圆聚焦光斑其中一个轴的长度；同时另一组与之正交的柱面镜对可进行同样的操作，从而改变椭圆聚焦光斑另一个轴的长度。椭圆聚焦光斑的位置由设置在整形光路中的楔形镜调整，或整体倾斜整形元件的主光轴进行调整。该系统将复杂的结构和繁琐的操作进行了简化，解决了单点激光照射在焊接电路板时无法快速实时调整光斑尺寸适应不同焊盘大小的问题，同时解决了多点激光密集照射在结构上的紧凑布局难题，实现了多功能操作的便利性，其次，其能在同一台设备上同时实现不同焊盘尺寸、不同焊盘间距、不同焊点功率设置的多点同时焊接系统，具有较高的效率和加工精确度。
另外，激光分为四个阶段进行焊接，第一阶段为预热阶段，通过低功率激光足够长时间的照射使锡膏缓慢升温，让助焊剂逐步挥发，避免快速升温导致锡膏飞溅；第二阶段为升温阶段，提高激光照射功率水平，使得焊点温度接近焊锡熔化温度；第三阶段为焊接阶段，使用较高的激光功率水平快速照射，使得焊锡熔化快速铺展；第四阶段为保温阶段，维持激光照射功率水平在较低状态，使焊锡在固化过程中充分湿润，避免空洞和虚焊现象。
附图说明
图1为本发明一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统的结构示意图；
图2为本发明一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统(另一种实施方式)的结构示意图；
图3为涂锡膏和压导线焊接工艺示意图；
图4为焊接过程中激光功率水平按时间分段工艺示意图；
图中：1-激光光源；2-传输光纤；3-光纤输出端；4-准直镜；5-Y 方向平凸柱面镜；6-Y方向平凹柱面镜；7-X方向平凸柱面镜；8-X 方向平凹柱面镜；9-楔形镜；10-激光光束；12-PCB板；13-焊盘； 14-导线导体；15-锡膏。
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：
如图1所示，一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其包括：与焊盘数量相同的多路平行设置的光路，其中，每条光路上从前到后依次设有激光光源1、传输光纤2、准直镜4、柱面镜组和楔形镜9。其中，柱面镜组包括Y方向柱面镜组和X方向柱面镜组，Y 方向柱面镜组包括Y方向平凸柱面镜5和Y方向平凹柱面镜6，X 方向柱面镜组包括X方向平凸柱面镜7和X方向平凹柱面镜8。Y 方向柱面镜组设置于X方向柱面镜组前端，Y方向平凸柱面镜5设置于Y方向平凹柱面镜6前端，X方向平凸柱面镜7设置在X方向平凹柱面镜8前端。Y方向平凸柱面镜5和Y方向平凹柱面镜6平行设置，且两者距离可调，X方向平凸柱面镜7和X方向平凹柱面镜8平行设置，且两者距离可调，通过调整Y方向平凸柱面镜5和Y 方向平凹柱面镜6的间距，X方向平凸柱面镜7和X方向平凹柱面镜8的间距，能够实现柱面镜组的有效焦距调节。Y方向柱面镜组用于对激光束进行Y方向整形，X方向柱面镜组用于对激光束进行X 方向整形。Y方向和X方向在激光束横截面所在平面内互相垂直。位于中间的光路和位于边缘的光路其楔形镜9的放置角度不同，位于边缘的楔形镜9角度为5度，位于中间光路的楔形镜角度为2度，整个系统最终输出的激光束每个光路之间的间距范围为0-4mm，本实施例为1.5mm。
本实施例中的激光光源1为近红外激光光源，利用光纤激光器产生的光能及其激光参数：波长1000～1100纳米、平均功率大于等于 10瓦、光束质量M2因子小于等于2、最长单次照射时间不超过10 秒。激光光源1发出的激光光束10经传输光纤2传输后，由光纤输出端3输出，其传输方向可以对准准直镜4和柱面镜组的光轴。激光光束10经过准直镜4后，光束的发散角被压缩。准直后的激光光束 10经过Y方向平凸柱面镜5和Y方向平凹柱面镜6，与弯曲面中心轴对应的光束的发散角再次被压缩，而与其正交的光束的发散角保持不变，其结果是将圆形对称的激光光束10变为了椭圆对称光束；同理，激光光束10经过X方向平凸柱面镜7和X方向平凹柱面镜8，与弯曲面中心轴对应的光束的发散角也被压缩，而与其正交的光束的发散角保持不变；沿着传输光轴移动Y方向平凹柱面镜6和X方向平凹柱面镜8的位置，能够改变经过柱面镜组后的椭圆光束的长轴和短轴的比例，绕着传输光轴整体旋转柱面镜组，能够改变经过柱面镜组后的椭圆光束的长轴或短轴的方向；激光光束10最后经过楔形镜 9改变光束传输方向，聚焦成长宽比例合适的焦点椭圆光斑，并调整光斑之间的间距，可以用来焊接焊盘。
如图2所示，在上述光路结构中，删除楔形镜9，同时保留其他光学组件，并整体倾斜所有光学组件的传输光轴，让光路向中心倾斜设置，形成汇聚光路，以达到改变光束的传输方向的同样效果。
如图3所示，利用该系统进行激光焊接的过程为：首先将导线导体14预先在锡炉中上锡，导线导体14上锡后在焊盘13表面涂覆适量的锡膏15，然后将导线导体14压在焊盘13与锡膏15之上，最后将激光光束10照射在焊盘13之上。将导线导体14预先在锡炉中上锡是为了保证焊接时锡量充足，同时提高锡膏15熔化后的铺展效果。焊接时，激光光束10的聚焦光斑大部分照射在导线导体14之上，通过热传导使得锡膏15匀速升温熔化，避免锡珠飞溅。
如图4所示，焊接过程中，依据焊盘尺寸大小单独设置每一路激光照射功率水平，激光照射功率水平按时间分段，通常至少分为预热、升温、焊接和保温四个阶段。第一阶段为预热阶段，通过低功率激光足够长时间的照射使锡膏缓慢升温，让助焊剂逐步挥发，避免快速升温导致锡膏飞溅，该阶段的激光功率为P1＝18％；第二阶段为升温阶段，提高激光照射功率水平，使得焊点温度接近焊锡熔化温度，该阶段的激光功率为P2＝40％；第三阶段为焊接阶段，使用较高的激光功率水平快速照射，使得焊锡熔化快速铺展，该阶段的激光功率为P1＝80％；第四阶段为保温阶段，维持激光照射功率水平在较低状态，使焊锡在固化过程中充分湿润，避免空洞和虚焊现象，该阶段的激光功率为P1＝23％。在整个焊接阶段，激光总体照射时间长度在3-10秒范围内完成。
USB端子主要由三部分组成，分别为USB插头11、PCB板12和焊盘13。每一路激光光束10分别对应照射在一个焊盘13之上，即激光光束10的数量与焊盘13的数量相同。
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 (10)

1.一种用于密集多点同时焊接的激光输出系统，该用于密集多点同时焊接的激光输出系统包括多个光路，每个所述光路均包括依次设置于同一光轴上的激光光源(1)、传输光纤(2)和柱面镜组，其特征在于：所述柱面镜组包括Y方向柱面镜组和X方向柱面镜组，所述Y方向柱面镜组包括Y方向平凸柱面镜(5)和Y方向平凹柱面镜(6)，所述X方向柱面镜组包括X方向平凸柱面镜(7)和X方向平凹柱面镜(8)；
所述激光光源(1)发出的激光束(10)经传输光纤(2)入射至柱面镜组，所述柱面镜组对激光束(10)在X方向和Y方向上进行调整，形成在椭圆截面方向上长短轴比例满足规定的激光束，所述用于密集多点同时焊接的激光输出系统的多个光路在出射端向中部倾斜，实现多个光路的汇聚；
其中，所述X方向和Y方向在激光束横截面上互成90°夹角。
2.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：当所述用于密集多点同时焊接的激光输出系统中的多个光路为平行设置时，通过在每个光路的柱面镜组末端设置楔形镜，实现多个光路的汇聚。
3.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：所述Y方向平凸柱面镜(5)设置于所述Y方向平凹柱面镜(6)的前端，所述X方向平凸柱面镜(7)设置于所述X方向平凹柱面镜(8)的前端。
4.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：所述Y方向平凸柱面镜(5)和Y方向平凹柱面镜(6)平行设置，所述X方向平凸柱面镜(7)和X方向平凹柱面镜(8)平行设置。
5.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：所述传输光纤(2)的光纤输出端(3)与柱面镜组之间设有准直镜(4)。
6.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：所述激光光源(1)的波长为1000～1100纳米，光束质量M2因子小于等于2。
7.如权利要求1所述的用于密集多点同时焊接的激光输出系统，其特征在于：所述传输光纤(2)的光纤芯径小于10um，数值孔径小于0.12。
8.一种利用权利要求1所述用于密集多点同时焊接的激光输出系统进行激光焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待焊接的导线导体在锡炉中上锡；
步骤2：在焊盘表面涂覆锡膏；
步骤3：将待焊接的导线导体压在焊盘与锡膏上，利用激光束照射焊盘；
步骤4：设置激光输出功率为P1，对焊盘上的锡膏进行预热；
步骤5：设置激光输出功率为P2，对焊盘上的锡膏进行升温；
步骤6：设置激光输出功率为P3，对焊盘上的锡膏进行融化，实现导线导体与焊盘的焊接；
步骤7：设置激光输出功率为P4，对焊接处进行持续照射，直至达到标定时间；
其中，功率P1<P4<P2<P3。
9.如权利要求8激光焊接的方法，其特征在于：所述功率P1为15％～20％，P2为38％～45％，P3为75％～85％，P4为21％～25％。
10.如权利要求8激光焊接的方法，其特征在于：所述步骤4～步骤7完成时间在3～10秒内。
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