CN108356414B - 一种激光焊接点的激光路径及激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接点的激光路径及激光焊接方法。将待焊接产品通过夹具固定在二维平台上，利用脉冲激光对待焊接产品的焊接区域内的焊接点进行扫描焊接，焊接点的激光扫描的路径图形分为三段，第一段是一条直线段或曲线段，第二段为多条往复不相交的直线段或曲线段，相邻直线段或曲线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段或曲线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段或曲线段相交叉，第三段与第二段的直线段或曲线段相交叉，激光扫描焊接过程中，对焊接点吹送保护气体。特定编辑的点状焊接图形，本发明单脉冲叠加轨迹方式焊接薄片，在薄片材料中，形成多个小熔池，获得拉力大的焊点。

Description

一种激光焊接点的激光路径及激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术，具体涉及一种激光对电子产品部件的焊接技术，特别是激光焊接过程中，激光扫描的路径。

背景技术

激光焊接在电子工业中，特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低，因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中，显示出独特的优越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了应用，如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm的焊接中得到广泛的应用，然而在现有焊接设备中，基本使用的是灯泵和QCW，CO2气体激光器，在目前使用的工艺中，对于0.2毫米以下薄片材料之间的点焊焊接,都存在一定的问题，由于这几种激光器使用每个单脉冲能量到达焦级，焦点光斑大于0.2毫米以上，对于薄的材料来说，易产生气孔，热导率过大，熔透率差，接头容易催化软化，单点能量脉冲大，容易焊接产生气体溢出，焊接后容易形成裂痕，拉力小，单点能量大，容易穿焊，在薄片焊接质量不高，良品率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光焊接点的激光路径，特别是基于对0.2毫米以下薄片材料焊接时，提出一种新的焊接点的激光扫描路径(也称为焊接点激光扫描路径图形，或焊接点激光图形)，并提供基于该激光扫描图形的激光焊接方法。

为实现本发明目的之一，提出的激光焊接点的激光路径技术方案是：它是利用脉冲激光对被焊接材料进行焊接，其特征是，焊接点的激光路径图形分为三段，第一段是一条直线段或曲线段，第二段为多条往复不相交的直线段或曲线段，相邻直线段或曲线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段或曲线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段或曲线段相交叉，第三段与第二段的直线段或曲线段相交叉。

这里所述的焊接点激光路径图形是激光器输出作用在焊接点处的激光光斑的运行路径，该路径可以通过振镜头控制实现光斑运动轨迹。经过振镜头的输出再通过场镜聚焦成输出激光输出光斑，激光焦点处光斑椭圆率大于95％，基本为圆形，成为0.02毫米的圆形光斑。

上述路径构成一个基于圆形的图形，包括圆的轮廓段(第二段的一部分)，圆内直线或曲线段(第二段的另一部分)，以及与圆的轮廓段连接的第一段和第三段。

将激光的轨迹分成三段式图形(轨迹)，目的可以实现三段采用不同的焊接参数进行焊接，有利于激光焊接点的精细化控制。

进一步的，所述第一段激光脉宽200-350纳秒、频率50-100千赫兹，第二段脉宽100-200纳秒，频率100-300千赫兹，第三段脉宽200-350纳秒、频率350-500千赫兹。

第一段参数的作用是促进材料升温融化，增加材料的吸收率；第二段参数起到是保温和促进焊接的效果，增加拉力效果；第三段参数能防止焊接的快速冷却产生裂纹。

进一步的优化技术特征，所述第二段的直线段是圆的多根弦，过渡段是圆的多个弧线段，第二段中与第一段的连接段是圆的一部分弧线段，第二段中与第三段的连接段是圆的另一部分弧线段。第二段轨迹是圆的弦及圆弧段构成，是优化较短的路径，有利于提高路径的效率。

进一步的优化技术特征，所述第二段的直线段与第一段直线段垂直；所述第二段的直线段与第三段直线段垂直。优化第一段(起始段)和第三段(结束段)较短的路径，有利于提高路径的效率。

进一步的优化技术特征，第一段直线段是圆的半径的一部分；第三段直线段是圆的半径的一部分，提高焊接点中间部位的焊接强度。

进一步的优化技术特征，焊接点包括多个焊接点，多个焊接点安矩阵排列，完成一个焊接点的焊接后，焊接的下一个焊接点与已完成焊接的上一个焊接点不相邻。有利于焊接点的散热，避免连续焊接是相邻焊接点的温度集聚，造成局部温度过高的。

上述矩阵式焊接点的间隔焊接特别是多个矩阵之间的焊接点的交替间隔焊接。

为实现本发明目的之二，提出基于激光焊接点的激光路径的激光焊接方法技术方案是，将待焊接产品通过夹具固定在二维平台上，利用脉冲激光对待焊接产品的焊接区域内的焊接点进行扫描焊接，焊接点的激光扫描的路径图形分为三段，第一段是一条直线段或曲线段，第二段为多条往复不相交的直线段或曲线段，相邻直线段或曲线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段或曲线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段或曲线段相交叉，第三段与第二段的直线段或曲线段相交叉，激光扫描焊接过程中，对焊接点吹送保护气体。

焊接区域内有多个焊接点，激光扫描焊接时，采用间隔焊接点进行焊接。

第一段激光脉宽200-350纳秒、频率50-100千赫兹，第二段脉宽100-200纳秒，频率100-300千赫兹，第三段脉宽200-350纳秒、频率350-500千赫兹。

待焊接产品是TPC连接器的Cable头与外铁壳的焊接。

上述夹具是柱状的夹具，包括两个部分拼合而成，特别是两个对称的部件拼合而成的柱状夹具。

每个部件包括壳体，可以上开设有轴向的凹槽，用于与Cable头配合，轴向的凹槽内设有第二凹槽，用于与外铁壳配合，对应第二凹槽的壳体上开设有径向凹槽，用于激光束通过扫描外铁壳与Cable头的焊接区域。

上述激光采用纳秒短脉冲激光；被焊接材料的壁厚为0.2毫米以下薄片材料，如上述的外铁壳的厚度为0.15-0.2毫米。焊接时，聚焦光斑为0.02-0.07毫米的圆形光斑，或者长轴为0.02毫米椭圆率大于95％的图形。

现有如QCW，灯泵等的焊接工艺来说，频率都在10千赫兹以下，其单点能量高，平均时间的能量强，非常容易击穿薄片材料。

本发明的优点：纳秒短脉冲激光焊接薄片的点焊优势在于，利用单脉冲能量小，单点能量毫焦及以下，多次叠加，可控的叠加次数，通过特定编辑的点状焊接图形，本发明单脉冲叠加轨迹方式焊接薄片，在薄片材料中，形成多个小熔池，获得拉力大的焊点，焊接点的拉力为10牛顿以上。

而对其它激光焊接机焊接工艺来说，都是采用单点脉冲能量焊接，一次输出焦级或者几十到几百焦级的能量。在焊接过程中，激光脉冲能量很容易穿过薄片材料，形成穿焊，如QCW，灯泵的焊接工艺，都是采用激光扩束，聚焦，直接形成0.2-0.7毫米大小的光斑，作用在焊接区域，需要很大能量才能焊接上,其设置的参数脉宽多为微秒级，频率都在10千赫兹以下，单点能量大，脉冲大，容易焊接产生气体溢出，焊接后容易形成裂痕，焊接拉力变小，焊接拉力不够，而且在焊接工程中,形成的熔深比较深,容易击穿薄片材料,伤害内部器件。

纳秒短脉冲激光焊接薄片的工艺方法，很好解决了这些问题，而且在焊接过程中，通过调节的参数脉宽和频率相差大，采用特殊的焊接轨迹图形可将入热量降到最低的需要量，热影响区相对变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低；通过很短脉冲，几千次同一点的能量慢慢积累叠加，不容易形成裂痕，和气体溢出，点很小，通过路径，形成一个圆环焊点，能充分融化，焊接拉力大,而且具有通用激光焊接机一切有点,如激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料，易于以自动化进行高速焊接，切换装置将激光束传送至多个工作站等等优点。适用于微小器件的焊接，不锈钢薄片和铝合金薄片，铜和铝合金薄片等。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明进一步详细说明。

图1纳秒短脉冲激光焊接机的分解结构示意图。

图2纳秒短脉冲激光焊接机简单的光路示意图。

图3母夹具载板的结构示意图。

图4子夹具的机构示意图。

图5TPC连接器的Cable头产品结构示意图。

图6外铁壳结构示意图。

图7为TPC连接器的Cable头与外铁壳贴合和需要焊接区间示意图。

图8激光聚焦光点斑及光斑移动叠加状态图。

图9单焊接点激光光斑焊接图形轨迹图。

图10焊接区域多矩阵焊接点焊接顺序图。

图中：1-MOPA纳秒短脉冲光纤激光器；2-振镜头；3-升降台；4-场镜；5-X.Y轴工作平台；7-聚焦后的激光光斑；8-单脉冲多次叠加形状图；10-母夹具载板；21-子夹具左卡；22-子夹具右卡；31-TPC待焊接Cable头；32-左铁壳；33-右铁壳；41-TPC连接器的Cable头与外铁壳安装后正面；42-TPC连接器的Cable头与外铁壳安装后反面；43—单点焊接内焊接轨迹图；44焊接轨迹图第一段直线线段；45焊接轨迹图第二段弓子线段；46焊接轨迹图第三段直线线段。

图7中所示为TPC待焊接Cable头正反两面的焊接点。

具体实施方式

本实施例的纳秒短脉冲激光器光能，激光参数为波长1060—1070纳秒、平均功率在50-200瓦之间、光束质量M2因子小于等于1.5、其脉冲设置宽度在1-800纳秒，最小脉冲宽度1纳秒、其重复频率范围在1-2000千赫兹，最大单脉冲能量小于或则等于5毫焦，其激光器输出光斑大小在6-9毫米。其输出光斑光束椭圆率大于95％，其光束发散角小于0.5毫弧度。

所述的激光焦点光斑形状为圆，场镜的焦距在100-240毫米可选的透镜，其场镜聚焦后的激光光斑大小在0.02-0.07毫米。该步骤的作用是选出可靠的焦深用来焊接。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。

振镜通光孔径为10毫米，反射为波长1060—1070纳秒的激光，振镜运动速度0-7000毫米每秒可调。

保护气为惰性气体，为氦、氩、氮等气体，根据不同的焊接要求来焊接不同的产品，该步骤的作用是1使用惰性保护气体来保护熔池，使工件在焊接过程中免受氧化。2通过控制气体的流量，速度用较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊接效果。3使用惰性保护气体的作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。

该三段不同的接参数的作用是第一段参数的作用是促进材料升温融化，增加材料的吸收率，设置参数脉宽较大、频率比较低，纳秒短脉冲激光器的激光器出来的单点峰值功率高，单位时间的平均能量高，可以有效的降低材料对激光的反射，促进材料的快速升温。第二段设置的参数脉宽相对比较小，频率高，单点峰值功率低，单位时间的平均能量比较适中，既不会因为能量过高，焊穿金属薄片，又不会温度下降，降低焊接效果。参数起到是保温和促进焊接的效果，增加拉力效果。第三段参数作用设置的脉宽大，频率高，单点峰值功率相对第二段低，单位时间的平均能量比较小，单位时间平均能量处于下降，温度处于下降过程，能防止焊接的快速冷却产生裂纹。每种材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，不同材料，设置不同参数。

焊接时焦点设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处以上，该步骤的作用是为了焊接时保持足够功率密度。

加工对象为TPC连接器的Cable头与外铁壳的焊接，TPC连接器的Cable头的外薄片为0.17毫米的不锈钢薄片，Cable头的外薄片里有外铁壳密封封装的电路板引脚与，外铁壳密封封装的电路板，外铁壳为0.2毫米的不锈钢，Cable头的外薄片与外铁壳连接焊接区域为四个1.2×1.5毫米的长方形叠加区如图7示意，分为正反面，每面两个。每个区域内焊接九个点。调节好激光的光路系统后和焊接设备后，进行如下步骤

Cable头与外铁壳夹具为21-子夹具左卡；22-子夹具右卡，两结构对称设计，每个部件包括壳体211，可以上开设有轴向的凹槽212，用于与Cable头配合，轴向的凹槽内设有第二凹槽213，用于与外铁壳配合，对应第二凹槽的壳体上开设有径向凹槽214，用于激光束通过扫描外铁壳与Cable头的焊接区域。

第一步：将TPC连接器的Cable头与外铁壳安装子载具上，左铁壳32安放在子夹具左卡21，右铁壳33Cable安放在子夹具右卡，用安装了铁壳的左右子夹具的把TPC待焊接Cable头31夹紧，左右头与外铁壳之间通过子载具上的爪子，把它们紧密贴合固定，留出如图7所以待焊接正反两面的A、B、C、D四个位置，让激光能打到材料表面。

第二步：将母载具安装在在二维平台5上,用来定位子夹具。

第三步：将固定安装好产品的子夹具紧靠在母载具上,子夹具和母载具贴合，先放子夹具的正面。

第四步：移动二维平台5使待焊接的产品运动至振镜下方位焦点处。

第五步：在软件上编辑特定的焊接点状的图形，焊接图形为特定编写图形如图9,其图形为三段,第一段44其长度为0.15毫米和第三段46其长度为0.15毫米的一条线段,第二段45为弓子型非闭合线段,其间距设置为0.04毫米,组合成尺寸为0.4毫米的圆形,每段的首尾衔接。

焊接点的激光路径图形分为三段，第一段是一条直线段，第二段为多条往复不相交的直线段，相邻直线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段相交叉，第三段与第二段的直线段相交叉。

所述第二段的直线段是圆的多根弦，过渡段是圆的多个弧线段，第二段中与第一段的连接段是圆的一部分弧线段，第二段中与第三段的连接段是圆的另一部分弧线段。

所述第二段的直线段与第一段直线段垂直；所述第二段的直线段与第三段直线段垂直。

第一段直线段是圆的半径的一部分；第三段直线段是圆的半径的一部分。

第一段的起始端点与第三段的终止端点不重合。

第六步：编写的图形的不同线段的不同参数，在控制软件上设定为三个图层,三个图层设定不同的激光脉宽、频率、焊接速度,第一段激光脉宽350纳秒、频率50千赫兹、焊接速度60毫米每秒，第二段脉宽200纳秒，频率200千赫兹，速度40毫米每秒，第三段脉宽200纳秒、频率350千赫兹、焊接速度80毫米每秒。

第七步:在软件上TPC连接器的Cable头与外铁壳的焊接的要求，编辑点数和焊接顺序。

编辑焊接顺序如图10所示，它是在焊接区域内设置多个矩阵，每个焊接矩阵内有多个焊接点，焊接点的焊接顺序根据a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,r,s点位的顺序编辑焊接顺序。

第八步：调节升降台让激光的焦点到正离焦，焦点设置在工件表面之下0.5毫米处，保持足够功率密度。

第九步：开启保护气，从侧面加吹保护气体，保护气体直接作用在待焊接位置的上。

第十步：在软件上微调调节焊点的位置，保持二维平台X，Y轴静止，特定能量的激光通过振镜2的X轴Y轴运动，带动激光运动，通过场镜聚焦到的薄片的表面待焊接区域。

第十一步：按焊接点的焊接轨迹焊接，起始点为第一段的端点，止于第三段的端点，形成区域点击，焊接，足够功率密度的激光通过热焊接薄片材料表面，融化冷却形成平整的外观。

第十二步：翻转子夹具，焊接夹具的反面区域，重复第九步、第十步和第十一步，完成焊接。

上述仅以TPC连接器的Cable头与外铁壳薄壁材料焊接加以说明，以便于对本发明技术方案的理解，本发明保护的范围不限于上述记载，本领域的技术人员基于本发明技术方案的启示，作出基于本发明技术方案不同于上述具体实施方式的技术方案也是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光焊接点的激光路径，它是利用脉冲激光对被焊接材料进行焊接，其特征是，焊接点的激光路径图形分为三段，第一段是一条直线段或曲线段，第二段为多条往复不相交的直线段或曲线段，相邻直线段或曲线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段或曲线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段或曲线段相交叉，第三段与第二段的直线段或曲线段相交叉；第一段激光脉宽200-350纳秒、频率50-100千赫兹，第二段脉宽100-200纳秒，频率100-300千赫兹，第三段脉宽200-350纳秒、频率350-500千赫兹。

2.如权利要求1所述激光焊接点的激光路径，其特征是，第二段为直线段，所述直线段是圆的多根弦，过渡段是圆的多个弧线段，第二段中与第一段的连接段是圆的一部分弧线段，第二段中与第三段的连接段是圆的另一部分弧线段。

3.如权利要求2所述激光焊接点的激光路径，其特征是，第三段为直线段，第一段为直线段；所述第二段的直线段与第一段直线段垂直；所述第二段的直线段与第三段直线段垂直。

4.如权利要求2所述激光焊接点的激光路径，其特征是，第一段为直线段；第一段直线段是圆的半径的一部分；第三段直线段是圆的半径的一部分。

5.如权利要求1所述激光焊接点的激光路径，其特征是，焊接区域包括多个焊接点，多个焊接点按矩阵排列，完成一个焊接点的焊接后，焊接的下一个焊接点与已完成焊接的上一个焊接点不相邻。

6.一种基于激光焊接点的激光路径的激光焊接方法，其特征是，将待焊接产品通过夹具固定在二维平台上，利用脉冲激光对待焊接产品的焊接区域内的焊接点进行扫描焊接，焊接点的激光扫描的路径图形分为三段，第一段是一条直线段或曲线段，第二段为多条往复不相交的直线段或曲线段，相邻直线段或曲线段起始点之间由过渡段连接，第三段是一条直线段或曲线段，第一段，第二段和第三段依次连接；第一段与第二段的直线段或曲线段相交叉，第三段与第二段的直线段或曲线段相交叉，激光扫描焊接过程中，对焊接点吹送保护气体；第一段激光脉宽200-350纳秒、频率50-100千赫兹，第二段脉宽100-200纳秒，频率100-300千赫兹，第三段脉宽200-350纳秒、频率350-500千赫兹。

7.如权利要求6所述基于激光焊接点的激光路径的激光焊接方法，其特征是，焊接区域内有多个焊接点，激光扫描焊接时，采用间隔焊接点进行焊接。

8.如权利要求6所述基于激光焊接点的激光路径的激光焊接方法，其特征是，待焊接产品是TPC连接器的Cable头与外铁壳的焊接。

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