CN112355473A - 采用微焊件图案的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用微焊件图案的激光焊接方法。第一材料(1)与第二材料(2)之间的焊件(3)，第一材料(1)是第一金属材料，而第二材料(2)是第二金属材料，焊件(3)具有0.5mm与7mm之间的宽度(4)，焊件(3)包括至少一个微焊件(8)，微焊件(8)形成平行于第一材料(1)的表面(6)限定的焊接图案(5)，并且微焊件(8)具有20μm与400μm之间的特性特征大小(7)。

Description

采用微焊件图案的激光焊接方法

本发明专利申请是国际申请号为PCT/GB2016/000028，国际申请日为2016年2月8日，进入中国国家阶段的申请号为201680016189.0，名称为“采用微焊件图案的激光焊接方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及焊件。该焊件可联结一个或多个反射材料。该焊件可具有低欧姆电阻、较高的剪切强度以及高剥离强度。本发明还涉及包括该焊件的制品以及用于激光焊接的方法。本发明还涉及采用微焊件图案的激光焊接方法。

背景技术

通过近红外频谱(800nm到2500nm)的激光焊接接合光亮金属(诸如，金、铜、铝、铂和银)提出了挑战。这是因为光亮金属的表面是高反射性的，吸收不良。为了克服表面反射以及发起激光能量耦合至金属表面中，使用具有高功率密度的激光束是必要的。

激光束对光亮材料的函数接近具有来自光束抵抗(hold-off)(反射)和吸收中的非常窄的工作窗口的离散函数。首先，表面反射基本上所有激光。然而，一旦通过足够的激光强度克服了表面反射，则引发表面的熔化。该反射随后几乎立即从其原有超过80％反射率的高反射状态转变为较低值，对于某些金属而言，可能低于50％的反射率。这导致表面上的熔池非常迅速地生长。因此非常难以控制。

当焊接薄且小质量的工件时，挑战增加。高功率密度通常是不利的，这导致激光束的过穿透，结果是不可靠的接头。相反，如果激光以刚刚在吸光率限制以上的较低功率密度工作，则必须增加脉冲历时。所吸收的能量热沉至焊件周围的区域内随后导致工件的过热，结果是弱焊件或没有焊件。

现在已知的铜与其它光亮金属(诸如，金和银)的激光焊接的较佳方法涉及使用以可见绿波长发射的激光器。最常见的激光器是以532nm发射的频率加倍的1064nm激光器。这是因为光亮金属在532nn的反射率比在近红外波长低。光亮金属与此类激光器的激光接合产生可重复和一致的焊件，但以与频率加倍相关联的效率、复杂性和成本为代价。在一些应用中，将532nm处发射的激光器与1064nm处的第二激光器结合以增加效率和生产率是必要的。此类双波长系统要求使用复杂的光束监视和实时分析以便分析和定制焊件的结构的激光焊接工艺的闭环监视。此类诊断设备使用背反射光以及焊池特性的视频分析以便向激光器控制器提供反馈。这些系统是复杂的和昂贵的。

已经采用了使用绿色激光器来执行光亮金属的焊件接合，无需特别解决接合不同金属的应用。不同金属的常规焊接依赖于对接口处金属的稀释以及结果所得热条件的特定控制以将导致接头中的所谓的金属间化合物的不同金属的混合最小化。大的金属间化合区域易于因作用于接头上的应力断裂，并且该断裂传播通过整个接头直到发生故障。

具有连续波和脉冲激光的激光焊接是已知的，其具有或连续焊件前端，或交叠点焊，其中该焊件形成连续接缝。由焊接工艺导致的材料中的缺陷造成了薄弱，并且在大部分应用中是不可接受的。脉冲焊件通常使用微秒和毫秒脉冲来形成。该脉冲导致材料熔化，再固化以形成焊件。当焊接不同材料时，焊件接口可包含金属间化合物，该金属间化合物是由被接合的两种材料形成并且通常本质上是易碎和不期望的化合物。因此，在机械负载下，焊件可优先地沿该金属间化合物层断裂。

在高反射材料之间形成低欧姆电阻焊件在电子和电气工程行业，包括电池制造、太阳能电池、半导体封装、以及电子印刷电路板中具有重要的应用。使用各种技术，包括激光焊接。然而，高反射率可能需要相对昂贵的可见激光器。另外，焊接装备、工艺和结果所得的焊件不满足快速制造速度、低欧姆电阻、高剪切强度以及高剥离强度的当前要求。因此，通常使用除激光焊接以外的工艺。

包括一种或多种反射金属，例如金、铜、铝、铂和银的工件中的激光焊件通常是不可靠的和薄弱的。包括不同材料的制品中的激光焊件通常在本质上是易碎的和不期望的。

对于在光亮和/或不同金属和合金之间没有可靠性问题的焊件存在需要，并且本发明的目的是提供此种焊件。

发明内容

因此，在本发明的一个非限制性实施例中，在第一材料与第二材料之间提供了一种焊件，第一材料是第一金属材料，而第二材料是第二金属材料，该焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度，该焊件包括至少一个微焊件，该微焊件形成平行于第一材料的表面限定的焊接图案，并且该微焊件具有20μm与100μm之间的特性特征大小。

本发明的焊件在电子和电气工程行业中具有重要的应用。使用在1μm波长窗口中发射并且具有约1mJ的脉冲能量的纳秒光纤激光器在反射金属中创建焊件是新出现的和非预期的。此外，焊件可具有比现有技术焊件更大的强度和可靠性。焊件可被用于制品中，诸如举例而言，电池、太阳能电池、半导体封装、以及电子印刷电路板。

焊件包括至少一个微焊件。微焊件形成焊接图案。焊接图案可由多个微焊件形成。替换地，焊接图案可由单个微焊件形成。焊接图案可包括螺旋形式的线。替换地或附加地，焊接图案可包括多个剖面线。剖面线可以是网格形式。剖面线可形成矩形网格。剖面线可形成三角形网格。焊接图案较佳地是二维焊接图案。

第一材料和第二材料可在焊件中保持实质上不混合。通过“实质上不混合”，意指由单个共混合合金相中组合在一起的第一材料和第二材料形成的金属间化合物含量包括焊件材料的至多20％，并且较佳地至多10％。第一材料与第二材料之间的界面处的金属间化合物含量可足以达成与预定机械特性和欧姆电阻的接头。第一材料与第二材料之间的界面处的金属间化合物含量可足够少以避免诸如由重结晶导致的脆化。

焊件可以是基本不同质的。焊件可包括第一金属材料和第二金属材料的有区别区域。

第一材料可在1微米的光波长处具有大于90％的反射率。

第一材料可具有与第二材料不同的熔化温度。

微焊件可包括在第一材料中形成的孔。第一材料可包含在第二材料中。第一和第二材料中的至少一者可流入孔中。第一材料可具有顶表面和底表面。底表面可比顶表面更靠近第二材料。孔可具有顶表面处的宽度和底表面处的宽度，其中顶表面处的宽度宽于底表面处的宽度。孔可以是埋头孔(countersunk hole)，并且微焊件可类似于铆钉。

微焊件可包括第二金属材料内的第一金属材料的区域。

出乎意料地，焊件提供用于接合光亮和不同金属和合金的更简单方案，从而在由焊件形成的每个接头处产生了一致的和可预测的结果。安排第一和第二材料之一以流入孔中而无需与另一种材料实质上混合有助于防止形成金属间化合物，并且避免与诸如易碎和薄弱焊件之类的金属间化合物相关联的可靠性问题。可用一系列合金，包括不规则金属合金、铸件、烧结合金以及注射成型合金来获得一致性和可预测结果。它们也可用难熔金属，包括铱、钨、钼、铌和钽来获得。难熔金属是化学惰性的，具有比诸如铁、铜和镍之类的金属更高的密度和更高的硬度，并且其特征是熔化温度高于2000℃。焊件增大的表面面积提供更多的接触面积，这进而减小了欧姆电阻。减少欧姆电阻是用于增加电池和太阳能板的效率的重要考量。可连接的部件的示例包括：电连接，诸如电池内铜与铝的连接；柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；电磁干扰和电组件的射频屏蔽；至电连接和电路板的附连导线、灯丝、和线路；消费电子产品(诸如移动电话、膝上型计算机、电视机和其它消费电子设备)中的其它电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂和金部件；以及医疗设备、传感器和其它电路。不规则金属合金用于三维印刷形式的添加剂制造，其中用激光来烧结金属粉末。

第一材料可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。

第二材料可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。

可采用第一材料和第二材料的其它金属。第一材料和第二材料可以是相同的或不同的。

宽度可以在0.5mm与2.5mm之间。

特性特征大小可以是微焊件的宽度。特性特征大小可以在40μm与100μm之间。

本发明还提供了根据本发明的包括焊件的制品。制品的示例是智能电话、移动电话、膝上型计算机、平板计算机、电视机、消费者电子设备；电池；太阳能电池；集成电子电路组件；印刷电路板；电连接、柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；以及消费者电子设备中的电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂、和金部件。

本发明还提供一种用于将第一材料激光焊接至第二材料的方法，该方法包括：

·将包括第一材料的第一金属部件放置到包括第二材料的第二金属部件上，

·提供用于以激光脉冲形式发射激光束的激光器，

·提供用于相对于第一金属部件的表面扫描激光束的扫描仪，

·提供用于将激光脉冲聚焦到该表面上的物镜，以及提供被适配成控制扫描仪从而该扫描仪相对于表面移动激光束的控制器，

其特征在于，

·相对于该表面移动激光束，

·用导致形成以平行于表面限定的焊接图案形式的至少一个微焊件的光斑大小和脉冲通量来聚焦激光脉冲；

·激光束相对于金属表面的移动使得焊件具有0.5mm与7mm之间的宽度；以及

·其中微焊件具有20μm与400μm之间的特性特征大小。

可操作激光器以在第一金属部件中形成多个熔池(melt pool)以及在第二金属部件中形成多个热桩(heat stake)。每个热桩可从熔池中的一个不同熔池延伸并且可具有远端。该方法可包括适配控制器以将经聚焦的光斑分隔开小到足以使得熔池交叠并且大到足以确保热桩的远端在至少一个方向上彼此区别和分开的距离。

可操作控制器以选择第一激光信号从而在表面上创建熔池，选择第二激光信号从而发起第一金属部件至第二金属部件的焊接，以及选择第三激光信号以将第一金属部件焊接至第二金属部件以形成微焊件。第一和第二激光信号可以彼此相同或不同。可跨表面在激光束的单次通过中，或者跨表面在激光束的多次通过中提供第一、第二和第三激光信号。可跨表面在激光束的第一次通过中提供第一和第二激光信号，而跨表面在激光束的第二次通过中提供第三激光信号。

第二激光信号可被选择成具有以大于100ps的脉冲宽度为特征的多个脉冲。

第二激光信号可被选择成其峰值功率实质上大于第三激光信号的峰值功率。

第一、第二和第三信号中的至少一者可被选择成抑制形成金属间化合物。

第一、第二和第三信号中的至少一者可被选择成改善激光焊件的表面的平滑度。

焊接工艺可以是形成键孔的一种工艺。该方法可包括提供被选择成关闭键孔的第四激光信号。

第一材料可比第二材料实质上更可塑。

激光器的特征在于光束品质M²小于4，较佳地小于2，并且更为较佳地小于1.3。

激光器可以是纳秒激光器。

激光器的特征在于波长在1000nm与3000nm之间。

激光器可以是稀土掺杂光纤激光器。

该方法可包括用激光器在第一材料中形成孔，用激光器熔化第一和第二材料中的至少一者，以及将第一和第二材料中的至少一者流入孔中。

第一材料和第二材料可在焊件中保持实质上不混合。

可通过脉冲化激光来形成孔从而第一材料中的至少一些被注入到第二材料中。

可通过首先形成不穿透第一材料的孔，并且随后脉冲化激光从而第一材料中的至少一些被注入到第二材料中来形成孔。

第一材料可具有顶表面和底表面。底表面可比顶表面更靠近第二材料。孔可具有顶表面处的宽度和底表面处的宽度，其中顶表面处的宽度宽于底表面处的宽度。该孔可以是埋头孔。

该方法可包括用激光来重熔化第一材料和第二材料中的至少一者的步骤。

焊件可包括第一材料和第二材料中的至少一者中的至少一个空隙。

脉冲重复速率可大于10kHz，可大于100kHz，以及可大于200kHz。光斑大小、脉冲通量、脉冲宽度、以及脉冲重复频率可被选择成使得第一材料和第二材料中的至少一者在连续激光脉冲之间再固化由此抑制在焊件中形成金属间化合物相。选择确保第一材料和第二材料中的至少一者被迅速淬火的脉冲波形实质上降低了金属间化合物生长，并且由此避免了与金属间化合物相关联的可靠性问题，诸如易碎和薄弱焊件。

光斑大小可小于100μm。光斑大小可小于60μm。

第一材料可具有比第二材料更高的熔化温度。

第一材料可在1微米的光波长处具有大于90％的反射率。

附图说明

现在仅通过示例并且参照附图描述本发明的各实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的焊件；

图2示出了连续螺旋形式的焊件；

图3示出了矩形剖面线形式的焊件；

图4示出了矩形剖面线形式的焊件；

图5示出了三角形剖面线形式的焊件；

图6示出了根据本发明的用于生产焊件的激光器系统；

图7示出了由激光器在第一材料中进行孔切割；

图8示出了已经由激光器熔化的第二材料；

图9示出了成品焊件，其中熔化的第二材料已经流入由激光器在第一材料中形成的孔中；

图10示出了不穿过第一材料的孔；

图11示出了孔下面的熔化的第二材料；

图12示出了成品焊件，其中熔化的第二材料已经流入由激光器在第一材料中形成的孔中；

图13示出了正在形成的焊件；

图14示出了具有第二材料内的第一材料的区域的焊件；

图15示出了根据本发明的用于生产焊件的激光器系统；

图16示出了脉冲激光波形的参数；

图17示出了经聚焦激光光斑的参数；

图18示出了间隔开的两个经聚焦激光光斑；

图19示出了交叠的两个经聚焦激光光斑；

图20示出了微焊件的经缝合图案；

图21示出了激光器系统，其中脉冲激光输出在制作焊件时是变化的；

图22示出了使用键孔焊接制作的微焊件；

图23示出了微焊件的截面图；

图24示出了用于闭合键孔的波形；

图25示出了用涂层涂覆的第一材料；

图26示出了焊接至第二材料的第一材料，其中第一和第二材料包括各层；

图27示出了包括金属间化合物和热影响区的现有技术的焊件；

图28示出了根据本发明的包括热影响区的焊件；

图29示出了用焊件焊接至第二金属部件的标签；

图30示出了脉冲通量和所吸收的能量密度的示图；

图31示出了根据本发明的方法制作的焊件的示例；

图32示出了图31中示出的焊件的剪切测试的结果；

图33示出了根据本发明的使用焊件由铜箔连接的两片铝箔；

图34示出了由黄铜和铜形成的焊件；

图35示出了基于主振荡器功率放大器配置在纳秒脉冲光纤激光器中具有脉冲重复频率的脉冲形状的演化；以及

图36示出了在纳秒脉冲光纤激光器中具有相同平均功率的两个脉冲波形。

具体实施方式

现在将仅通过示例并且参照图1描述本发明的焊件。图1示出了第一材料1与第二材料2之间的焊件3，第一材料1是第一金属材料，而第二材料2是第二金属材料，焊件3具有0.5mm与7mm之间的宽度4，该焊件包括至少一个微焊件8，微焊件8形成平行于第一材料1的表面6限定的焊接图案5(放大示出)，并且微焊件8具有20μm与400μm之间的特性特征大小。

通过平行于第一材料1的表面6，意味着或在焊件3附近的表面6上，或在表面6之下，例如，在焊池以下。焊接图案5较佳地是二维焊接图案。藉由焊件3的宽度4，意指表面6上焊件3的最小横向尺寸。

图1中示出的焊接图案5包括多个螺旋形式的微焊件8。微焊件8的特性特征大小7是微焊件8的宽度或直径。螺旋的臂9由第一间隔10分开。微焊件8由螺旋的臂9内的第二间隔11分开。第二间隔11可以是50μm至450μm。较佳地，第二间隔11在50μm与200μm之间。螺旋可以是圆形的，或者可以诸如以跑道形式延长。也可使用其他图案。

焊件3可以按图2中示出的焊接图案20的形式，焊接图案20包括螺旋22形式的单个微焊件21。微焊件21的特性特征大小7是微焊件8的宽度。螺旋的臂9由第一间隔10分开。

焊接图案5可包括多条剖面线31，如图3、4和5中所示，每条剖面线31包括至少一个微焊件8。焊接图案5可包括边界环33，该边界环包括至少一个微焊件8，如图3和5中所示。有利地，边界环33可帮助缓解焊件3中的应力。微焊件8的特性特征大小7是微焊件8的宽度。剖面线31可包括矩形网格，如图3和4中所示，个体剖面线31由第一间隔10以及由第三间隔32分开。剖面线31还可形成三角形网格，如参照图5所示。其他网格图案也是可能的。

图1到5中的第一间隔10可以在20μm到2000μm的范围中。第一间隔10可以在50μm到500μm的范围中。较佳地，第一间隔10在50μm到250μm的范围中。更为较佳地，第一间隔10在50μm到125μm的范围中。

图3到5中的第三间隔32可以在20μm到2000μm的范围中。第三间隔32可以在50μm到500μm的范围中。较佳地，第三间隔32在50μm到250μm的范围中。更为较佳地，第三间隔32在50μm到125μm的范围中。第三间隔32可与第一间隔10相同。

焊件3可使用图6中示出的装置来制作。该装置包括通过束递送电缆69耦合至激光器扫描仪67的激光器61。激光器61发出用物镜68聚焦在表面6上的激光束62。

激光器61较佳地是发出大约1060nm波长的纳秒激光器。稍后将描述激光器61的各个选项。

藉由纳秒脉冲激光器，意指能发出具有宽度在1ns到1000ns范围中的脉冲的激光器。此类激光器还可以能够发出更短的脉冲，以及更长的脉冲，并且还可以能够发出连续波辐射。此类激光器不同于现有技术中常规上用于生产焊件的毫秒激光器。毫秒激光器一般通过发出单个脉冲形成焊件，并且由毫秒激光器形成的焊件具有与本发明的焊件3非常不同的视觉外观。出乎意料地，本发明的焊件3可在高反射金属和耐火金属、并且通过包含较少能量的较短脉冲形成，焊件3是极为强壮的，即使在使用不同的金属、高反射金属时。第一材料1和第二材料2中的至少一者可在脉冲之间非常快速地冷却下来，从而为在微焊件8内形成金属间化合物留下不充足的时间。焊件3还可在金属组合中形成，诸如铝和不锈钢，其中用现有技术中的技术已经难以达成强壮、可靠且可预测的焊件。

如图7到9中所示，第一材料1和第二材料2可在微焊件8中实质上不混合。图7示出了已经用激光器61形成的孔71。图8示出了已经用激光器熔化的熔化的第二材料81。图8示出了在熔化的第二材料81已经流入孔71并且再固化之后形成的微焊件8。因为毛细血管作用，通过由激光脉冲进行的蒸发材料的快速扩张导致的蒸汽压力，或者通过Marangoni效应可发生流动，Marangoni效应是由于表面张力坡度而导致的沿两个流体之间的界面的质量转移(mass transfer)。在温度依赖性的情形中，这一现象可被称为热毛细对流(或Bénard-Marangoni对流)。

参照图7到9示出的焊件3具有顶表面72和底表面73。孔71具有在顶表面72处的宽度74，该宽度74宽于底表面73处的宽度75。重要地，此种布置可增加微焊件8的剥离强度。孔71是埋头孔，并且微焊件8类似于铆钉。宽度74可小于200μm。宽度74可小于50μm。宽度74可小于20μm。

图10示出了不穿透第一材料1的孔76。孔76可通过确保脉冲中的能量不足以将第一材料1中的蒸汽压力提升到孔76穿透至第一材料1的底表面73的水平来形成。这可通过将激光器61选择成使得它能递送诸如具有较低峰值功率的脉冲，或者脉冲宽度小于20ns的脉冲之类的较低能量脉冲来达成。扫描仪67可被用于扫描第一材料1上的激光束62以获得孔71的预定形状。对于高反射材料(例如，在1μm波长处反射率大于约90％)而言，皮秒激光器(发射脉冲宽度在1ps与1000ps之间的脉冲的激光器)可被有利地使用。图11示出了已经用激光器61熔化的熔化的第二材料81。激光器61随后可发出脉冲从而孔76现在穿透至第二表面73，从而创建了孔71，由此允许第二材料2中的至少一些流入孔71中，如参照图12所示。第一材料1中的至少一些可被注入到第二材料2中，如图12中示出地由结果所得的微焊件8的区域121所示。还可在第二材料2中出现至少一个空隙122。空隙122可藉由蒸汽压力通过孔71协助第二材料2的流动。

图13和14示出了用激光器61形成的微焊件8，激光器61具有足够峰值功率以克服第一材料1的反射率以及足够能量以在第二材料2中形成键孔133。由第一材料1的快速加热导致的蒸汽压力使得第一材料1中的至少一些被注入到孔71中或者从孔71中喷出。这由以下来示出：材料131被注入到在第二材料2中形成的键孔133中，以及材料132从孔71中发出。材料131和132可处于气相、液相、固相、或以上材料相中的至少两者的组合。熔化的第二材料81随后可流入到孔71中，如参照图14所示。第一材料1的区域121和空隙122可存在于微焊件8中。参照图1到5示出的微焊件8可以是参照图9、12和14示出的微焊件8中的一者或多者。

微焊件8可以是基本不同质的。不同于现有技术中的焊件，微焊件8可以是实质上不混合的。通过“实质上不混合”，意指由第一材料1和第二材料2在单个共混合合金相中组合在一起形成的金属间化合物含量包括微焊件8材料的至多20％，并且较佳地至多10％。第一材料1与第二材料2之间的界面处的金属间化合物含量可足以达成具有预定机械特性和欧姆电阻的接头。第一材料1与第二材料2之间的界面处的金属间化合物含量可足够少以避免诸如由重结晶导致的脆化。有利地，这避免了当在不同金属之间形成焊件时可能出现的金属间化合物所引发的易碎或薄弱焊件的问题。结果是焊件3能够接合光亮和不同的金属和合金，从而在每个焊件上产生一致和可预测的结果。

第一材料1可具有与第二材料2不同的熔化温度。这使得第一和第二材料1、2之一能在另一材料之前再固化，并且流动，由此避免了第一和第二材料1、2的实质混合。为了优化微焊件8的性能，可调整激光器61的参数，诸如脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲能量以及峰值功率。第一材料1可具有比第二材料2的熔化温度至少高或低50％的熔化温度。

第一材料1可由小于第二材料2的杨氏模量的杨氏模量来定义。有利地，第一材料1可比第二材料2实质上更可塑。如果焊件3被重复拉紧是有利的，因为微焊件8将对金属疲劳更具抵抗力。

第一材料1可在1微米的光波长140处具有大于90％的反射率145。反射率145可在20C处被定义。

参照图1到5以及7到14，第一材料1可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。合金可以是青铜、黄铜、镍钛合金、或不规则合金。第二材料2可包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、铁、镍、锡、钛、铱、钨、钼、铌、钽、铼、银、铂、金、和包括以上材料中的至少一者的合金。可采用第一材料1和第二材料2的其它金属。第一材料1和第二材料2可以是相同的或不同的。

出乎意料地，光亮和不同金属和合金之间的焊件3具有一致和可预测的品质。安排第一和第二材料1、2之一以流入孔71中而无需与另一种材料实质上混合有助于防止形成金属间化合物，并且避免与诸如易碎和薄弱焊件之类的金属间化合物相关联的可靠性问题。焊件3的增大的表面面积提供更多的接触面积，这进而减小了欧姆电阻。减少欧姆电阻是用于增加电池和太阳能板的效率的重要考量。

宽度4可以在0.5mm与2.5mm之间。较佳地，特性特征大小7在40μm与100μm之间。

本发明还提供了根据所公开的附图的包括至少一个焊件3的制品。制品的示例是智能电话、移动电话、膝上型计算机、平板计算机、电视机、以及其它消费者电子设备；电池；太阳能电池；集成电子电路组件；印刷电路板；电连接(诸如电池内部铜与铝的连接)；柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；以及消费者电子设备中的电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂、和金部件。

现在将参照图15来描述根据本发明的用于第一材料1至第二材料2的激光焊接的方法。该方法包括：

·将包括第一材料1的第一金属部件151放置到包括第二材料2的第二金属部件152上，

·提供用于以激光脉冲161形式发射激光束62的激光器61，

·提供用于相对于第一金属部件151的表面6扫描激光束62的扫描仪67，

·提供用于将激光脉冲161聚焦到表面6上的物镜68，以及

·提供被适配成控制扫描仪67从而该扫描仪67相对于表面6移动激光束62的控制器153，

其特征在于，

·相对于表面6移动激光束62，

·用导致形成以平行于表面6限定的焊接图案5形式的至少一个微焊件8的光斑大小174和脉冲通量176(参照图17示出)来聚焦激光脉冲161以形成经聚焦光斑12；

·激光束62相对于金属表面的移动使得焊件3具有0.5mm与7mm之间的宽度4(参照图1示出)。

·其中微焊件8具有20μm与400μm之间的特性特征大小7。

激光器辐射62经由光纤电缆147和准直光学元件142引导至扫描仪67。

激光束62较佳地相对于表面6在两个维度移动从而结果所得的焊接图案5是二维焊接图案。

图15示出了以波长140发射并且光束品质146由M²值来定义的激光器61。波长被示为1060nm并且光束品质146被示为1.6；这旨在是非限制性的。

第一金属部件151在焊件3的区域中可具有不超过5mm的厚度143。厚度143可小于2mm。厚度143可小于1mm。厚度143可小于0.5mm。第二金属部件152在焊件3的区域中可具有至少100μm的厚度144。厚度144可小于0.5mm。第一金属部件151可具有大于80％的反射率145。其他反射率也是可能的。

图16示出了由峰值功率162、平均功率163、脉冲形状164、脉冲能量165(示为脉冲之下的阴影区域)、脉冲宽度166以及脉冲重复频率F_R 167定义的脉冲161。平均功率163等于脉冲能量165和脉冲重复频率167的乘积。脉冲宽度166被示为峰值功率162的全宽度半最大值(FWHM)。还示出了在峰值功率162的10％处测量的脉冲宽度168。脉冲161包括预脉冲160，其后是较低功率区域169。

图17示出了光斑12，其具有通过将激光束62聚焦到表面6上形成的光斑大小174。光学强度172是激光束62的每单位面积的功率。光学强度172跨光斑12的半径从其中心的峰值强度179变化为1/e²强度173并且变化为零。光斑大小174一般被取为光斑12的1/e²直径，该1/e²直径是光学强度172在峰值强度179的任一侧上降至1/e²强度173的直径。光斑12的面积175一般被取为1/e²直径内光斑12的截面积。脉冲通量176被定义为光斑12在表面6上的每单位面积的能量。脉冲通量通常以J/cm²来测量，并且对于激光焊接是重要参数，因为焊件品质受脉冲通量176的高度影响。

激光器61、准直光学元件142和物镜68应该被选择成使得可获得足够的光学强度172和脉冲通量176以克服表面6的反射率。预脉冲160可被用于克服第一材料1的反射率，并且用于形成参照图7到14示出的孔71。较低功率区域169可被用于熔化第二材料2。参照图16示出的激光器参数可被调整以优化焊件3的期望特性。针对特定焊件的最佳脉冲通量176在不同材料和材料厚度之间变化。用于焊接金属工件的最佳脉冲通量176可通过实验来确定。

可操作图15中的激光器61以在第一金属部件151中形成多个熔池19以及在第二金属部件152中形成多个热桩17。每个热桩从熔池19中的一个不同熔池延伸并且具有远端154。该方法包括适配控制器153从而激光器61和扫描仪67使得经聚焦的光斑12被分隔开小到足以使得熔池19交叠并且大到足以确保热桩17的远端154在至少一个方向155上彼此区别和分开的距离。

藉由“彼此区别的和分开的”，意指热桩17的远端154在所有方向上不形成实质上平滑的焊接；热桩17可在至少一个方向155上至少部分地彼此分开。替换地，热桩17可实质上平行于金属表面6在所有方向上至少部分地彼此分开。藉由“焊件”，意指通过焊接或接合制作的连接。

连续的经聚焦激光光斑12可被分开(如图18中所示)，从而激光光斑12的中心之间的间隔181大于光斑大小34。替换地或附加地，连续的经聚焦激光光斑12可交叠(如图18中所示)，从而间隔181小于光斑大小34。如果激光光斑12被分开(如图18中所示)，则热桩17可在一个以上方向155中是彼此区别的和分开的。然而，如果激光光斑12交叠(如图19中所示)，则结果所得的微焊件8可以是线性焊件，诸如图20中所示。图案5可或由多个此类微焊件8形成(如图所示)，或由单个微焊件8的图案5形成。在后一种情形中，热桩17在仅一个方向155上是彼此区别的和分开的。在图17和18中，经聚焦激光光斑12可表示单个激光脉冲161或多个激光脉冲161，并且以上讨论扩展至激光光斑12抖动以增加微焊件8的特性特征大小7的情形。

每个热桩17由脉冲161中的至少一个脉冲形成，脉冲161的数量取决于脉冲通量176。10到100个脉冲161通常被用于具有1mJ脉冲能量165的激光器。经聚焦光斑12的中心之间的距离181将近似于相应的热桩17的中心之间的距离18。控制器153可使扫描仪67在热桩17中的每一者的形成期间保持经聚焦光斑12静止。替换地，控制器153可使扫描仪67在热桩17中的每一者的形成期间抖动经聚焦光斑12，较佳地抖动小于距离18的量。距离18通常为20μm到150μm，并且较佳地为40μm到100μm。

焊件3可以是由交叠的熔池19和热桩17形成的复合焊件。为了清楚，图15在三维描绘内在截面图中将经聚焦光斑12示为黑色圆圈，并且示出了焊件3。熔池19被示为其间没有边界地熔化在一起，且界面被示为在熔池19与热桩17之间。冶金学研究已经证明熔池19和热桩17两者都可包括来自第一材料1和第二材料2两者的材料。

可达成金属的良好混合，这在第一和第二材料1、2两者都是不锈钢时可能是有利的。在该情形中，在熔池19与热桩17之间一般没有良好限定的边界。

热桩17的远端154被示为以尖端为端点。然而，并不必然如此；远端154可实质上是弯曲的，并且可被碎片化，从而它们具有超过一个端点。

如参照图15所示的，该方法可包括提供来自气体供应156的保护气体155，并在焊件3上应用保护气体155的步骤。保护气体可被用于保持以防止焊件3氧化或保持焊件3干净。保护气体155可以是氩、氦、氮、或激光焊接中常用的其它气体。保护气体155可以是气体混合物。气体供应156可包括气体瓶、喷嘴、和流控调节器。

焊件3在热桩17的远端154处具有实质上凹凸不平的表面。这与认为焊件的平滑远端是有利的常规焊接实践形成直接对比。不平滑的焊件线被认为是现有技术中引起关注的原因。

该装置是较佳的，从而激光脉冲161与用于控制扫描仪67的控制信号157同步。这可通过将同步信号应用于控制器153，或者通过适配控制器153从而控制器还控制激光器61来达成。

扫描仪67可以是检流计扫描头。替换地或附加地，扫描仪67可以是可移动的二维或三维转换级，或者机械臂。扫描仪67使得它能在第一方向158和第二方向159移动激光束62。扫描仪67和物镜68可以是本领域技术人员已知的处理光学器件的一部分。该处理光学器件可具有类似瓷砖镜(tiled mirror)的附加光学元件、附加聚焦控件和/或光束成形光学器件。

如图21中所示，本发明的方法可包括操作控制器153以选择第一激光信号201以在金属表面6上创建熔池19，选择第二激光信号202以发起第一金属部件151至第二金属部件152的焊接，以及选择第三激光信号203以将第一金属部件151焊接至第二金属部件152以形成微焊件8。第一、第二和第三激光信号201、202、203被描绘为包括激光脉冲161。较佳地，控制器153控制激光器61从而第一、第二和第三激光信号201、202、203与扫描仪67同步。

第一横截面221示出了在第一时间段204期间由第一材料1通过吸收第一激光信号201导致的熔池19。当焊接反射金属时，金属的吸收可在创建熔池19时显著增加。为了优化焊件性质，因此控制器153在反射率145改变之际选择第二激光信号202可能是重要的。

第二截面图222示出了第二时间段205中的焊接的发起。第二激光信号202已经使得熔池19延伸通过第一金属部件151并且进入第二金属部件152。熔池19的远端226被示为穿透第二金属部件152。熔池19随后将开始包含来自第一金属部件151和第二金属部件152两者的金属。替换地或附加地，来自第一金属部件151的金属可穿透进入第二金属部件152。在任一情形中，焊接可以说已经被发起。键孔133被示为存在。参照图13描述并且将参照图22和23进一步描述键孔133。键孔133可以不在第二时间段205期间出现，并且可以根本不出现。如果键孔133存在，则大部分激光束62可被键孔133吸收。当焊接反射金属时，第二激光信号202的峰值功率162和脉冲能量165中的至少一者随着激光束62的增加吸收而降低以限制发生键孔133的爆发因此可能是有益的。如果焊接工艺继续，而控制器53不改变至第三激光信号203，则可能有过多的能量被第一和第二金属部件151、152吸收，这可导致材料从键孔133的猛烈爆发，并且因此导致不期望的粗糙表面，尤其是对于诸如插入人类的珠宝和医疗设备而言。

第三横截面223示出了由第三激光信号203在第三时间段206中将第一金属部件151焊接至第二金属部件152。这可发生在应用第一和第二激光信号201和202的激光束62跨表面6的同一通过中，或者在相继的通过中。如果第一材料1是高反射的，则第三激光信号203的峰值功率162可被选择成使得其小于第二激光信号202的峰值功率162；这具有使从键孔133的熔化材料的爆发更不猛烈的效果。在某些情形中，第三激光信号203是连续波信号可能是较佳的。熔池19被示为大于第一和第二横截面221、222中的熔池19，但这意指非限制性的。激光束62被示为聚焦至键孔133中。焊池19的远端226被示为进一步延伸进入二金属部件152。键孔133可在第三时间段206期间不存在。

图22中更详细地示出了键孔焊接。在该过程中，激光束62不仅熔化第一和第二金属部件151、152，而且产生了蒸汽。耗散的蒸汽在熔化的金属225上施加压力，并且部分地取代它。结果是称为键孔133的又深又窄的蒸汽填充孔。此种过程可包含在在本发明的装置和方法中形成微焊件8和热桩17(若存在)中。

该方法可以是键孔133被熔化的金属225包围，并且随激光束62在激光束62被扫描的方向226上移动的方法。随着键孔133移动，熔化的金属225在键孔133之后固化，从而形成了微焊件8。微焊件8可以是又深又窄的。激光束62在键孔133中被高效地吸收，因为它被反射多次。如图23中所示，微焊件8可具有大于其宽度229的深度228。焊件深度228可大于焊件宽度229的至多10倍。替换地，焊件深度228可大于焊件宽度229的10倍。

参照图15和21示出的热桩17可形成图23中示出的微焊件8的至少一部分。宽度229可以是参照图1到5和图15示出的特性特征大小7。藉由热桩17，意指穿透入第二金属部件152的焊件。热桩17可类似于穿透第二金属部件152的尖状物。替换地，热桩17可以是可沿其长度线性或弯曲的深穿透焊件。第一和第二材料1、2可在热桩17中混合在一起，或者它们可以实质上不混合。替换地，热桩17可主要包括第一材料1。

在某些情形中，诸如举例而言，当焊接具有实质上不同熔化温度的材料时，键孔133可能不恰当地闭合，从而在焊件3中留下空隙122。这可通过提供第四激光信号240来解决(关于图24示出)，选择该激光信号240以闭合键孔133。第四激光信号240的平均功率153可随时间降低。在图24中，第四激光信号240包括多个脉冲161，它具有比第三激光信号203的脉冲重复频率164更小的脉冲重复频率167。另外，峰值功率162随时间降低。其它第四激光信号240也是可能的。

再次参照图21，在截面图中示出了已经冷却之后的微焊件8。微焊件8被示为包括延伸入第二金属部件152的可任选热桩17。还示出的是焊件3的表面上的材料132，以及第二金属部件152内的空隙122。先前参照图13描述了材料132和空隙122。如参照图1到14所描述的，图案5可包括图21中示出的多个微焊件8，或形成图案5的单个微焊件8。

可关于以下标准中的一者或多者来改善或优化焊接方法：(i)材料132的消除或减少，(ii)空隙122的消除或减小，(iii)焊件3的表面粗糙减少或表面改善，(iv)形成焊件3所用时间的减少，(v)焊件3的强度，以及(vi)焊件3的可靠性。通过选择第一、第二、第三和第四激光信号201、202、203和240中的一者或多者、物镜68的选择和聚焦、以及扫描仪67的扫描速度的选择可达成优化。通过实验可达成优化。例如，第一、第二和第三信号201、202、203中的至少一者可被选择成抑制形成金属间化合物。这应该增加焊件3的强度和可靠性。用于在不同材料和厚度143、144中优化焊件的参数可被存储在控制器153和激光器61中。

微焊件8可由激光束62在表面6上的单次通过，或者激光束62在表面6上的多次通过来形成微焊件8。当激光束62的单次通过形成微焊件8时，可在激光束62的单次通过中提供第一、第二和第三激光信号201、202、203。替换地，可在表面6上在激光束62的通过中提供第一和第二激光信号201、202，而在表面6上在激光束62的另一次通过中提供第三激光信号203。

在某些情形中，重要的是，用于形成焊件3的方法尽可能简单，并且较佳地针对不同材料使用相同步骤。在这种情况下，第一、第二、第三和第四激光信号201、202、203和240中的至少两者可包括具有相同波形的脉冲161。

关于图15和21描述的本发明的方法可包括参照图7到14描述的步骤。该方法可包括用激光器61在第一材料1中形成孔71，用激光器61熔化第一和第二材料1、2中的至少一者，以及使第一和第二材料1、2中的至少一者流动。第一和第二材料1、2可流入孔71中。第一材料1和第二材料2可在微焊件8中保持实质上不混合，如图8中所示。可通过脉冲化激光器61来形成孔71从而第一材料1中的至少一些被注入到第二材料2中，如图12和13中所示。

形成孔71的步骤可包括切割第一材料1。藉由切割，意指切割或雕刻。该步骤可包括切割第二材料2。

使第一和第二材料1、2中的至少一者熔化和流动的步骤可在激光束62在微焊件8上的附加通过中提供。

形成孔71的步骤可包括在第一材料1与第二材料2之间形成微焊件8。然而，微焊件8可不具有所要求的强度、结构或外观。使第一和第二材料1、2中的至少一者熔化并使第一和第二材料1、2中的至少一者流动的步骤可改善微焊件8的强度、结构或外观。较佳地，参照图16描述的一些或所有激光器参数被选择成抑制在使第一和第二材料1、2中的至少一者熔化或流动时在微焊件8中形成金属间化合物281。

熔化第一和第二材料1、2中的至少一者的步骤可包括操作激光器61从而脉冲通量176优先于第一和第二材料1、2中的另一者来优先熔化第一和第二材料1、2中的一者的步骤。优先熔化第一和第二材料1、2中的一者可抑制形成金属间化合物281。

熔化第一和第二材料1、2中的至少一者的步骤可包括操作具有熔化第一和第二材料1、2两者的脉冲通量176和脉冲重复频率167的激光器61的步骤。更好地，脉冲通量176和脉冲重复频率167被选择成使得第一和第二材料1、2中的至少一者在连续脉冲161之间固化。这可抑制在微焊件8中形成金属间化合物。

第一材料1可在暴露于10mJ或更小的脉冲能量165时熔化。脉冲能量165可以是4mJ或更小。脉冲能量165可以是1mJ或更小。脉冲能量165可以是100μJ或更小。脉冲能量165可以是10μJ或更小。较厚的材料要求比较薄的材料更大的脉冲能量165。

如图10到12中所示，可通过首先形成不穿透第一材料1的孔76，并且随后脉冲化激光器61从而第一材料1中的至少一些被注入到第二材料2中来形成孔71。

形成孔71的步骤可包括用具有由小于或等于100ns的全宽度半最大值定义的脉冲宽度166的至少一个脉冲100来脉冲化激光器61。脉冲宽度166可小于或等于10ns。激光器61可以是纳秒脉冲激光器。

形成孔71或孔76的步骤可包括用具有小于或等于20ns的脉冲宽度166的至少一个脉冲161来脉冲化激光器61。脉冲宽度166可小于或等于1ns。脉冲宽度166可小于或等于100ps。脉冲宽度166可小于或等于10ps。激光器61可以是皮秒脉冲激光器。更好地，激光器61使得它能发射皮秒脉冲(小于1ns)和纳秒脉冲(小于1μs)两者。使脉冲宽度107小于1ns的优势在于在脉冲161中提供较少的能量，并且这能协助在第一材料3中切割孔76，而无需表面粗糙或者穿透第一材料1。可采用多个脉冲161以切割孔71或孔76。

由本发明的装置或方法形成的激光焊件3可以是自生的，即在形成焊件3中未添加附加(填充物)材料。

参照图6、15和21，激光器21可以是光纤激光器、固态棒状激光器、固态盘激光器、或者诸如二氧化碳激光器这样的气态激光器、或其组合。激光器61可以是具有外部光学调制器(诸如用于创建脉冲161的声光调制器)的激光器源。激光器61可以是调Q激光器、调制连续波激光器、或准连续波激光器。激光器61较佳地是主振荡器功率放大器。激光器61较佳地能够输出激光脉冲161以及连续波输出。

激光器61可由1与25之间的光束品质M²值109来定义。M²值109可以在1到10、1到5或者2到5的范围中。较佳地，M²值109可在1.3到2的范围中。M²值109可小于1.3。

激光器61较佳地是稀土掺杂纳秒脉冲光纤激光器，诸如掺镱光纤激光器、掺铒光纤激光器、掺钬光纤激光器、或掺铥光纤激光器。这些激光器通常分别发射1μm、1.5μm、2μm和2μm波长窗口中的波长140的激光辐射。

激光器61可以是能发射脉冲宽度166在大约10ps与3000ns之间，较佳地在100ps与1000ns的范围中，并且更为较佳地在1ns到1000ns的范围中的激光脉冲161。激光器61还可以能够发射连续波激光信号。较佳地，激光器61具有各种各样的脉冲形状和脉冲参数，可选择这些脉冲形状和脉冲参数以优化生产焊件3的性质和成本。此种激光器的示例是由英国南安普敦的SPI Lasers UK Ltd制造的型号为SPI G4 70EP-Z纳秒掺镱光纤激光器。激光器以1059nm和1065nm范围中的波长140来发射。表1示出了可由激光器的操作者选择的36个波形(wfm0到wfm35)的脉冲参数数据。每个波形具有获得最大脉冲峰值功率的最小脉冲重复频率PRF0，以及获得最小脉冲峰值功率的最大脉冲重复频率PRFmax。最大脉冲能量Emax在最小脉冲重复频率PRF0处获得，并且在激光器在最小脉冲重复频率以下工作时不增加。最小脉冲重复频率PRF0处可获得的峰值功率是对应于Emax的峰值功率，并且在右手栏示出。

图35示出了脉冲形状164如何随表1中示出的波形WF0的脉冲重复频率167变化。随着脉冲重复频率167增加，峰值功率162降低，并且全宽度半功率(FWHP)脉冲宽度166从10kHz处的大约20ns增大至560kHz处的大约220ns。平均功率163对于每个脉冲波形大约为70W，脉冲能量165随着增加脉冲重复频率167而降低。

表1：在示例1、2和11到13中使用的激光器的脉冲参数。

图36示出了在最小脉冲重复频率PRF0处针对表1中示出的两个不同脉冲波形的脉冲形状164。针对每个脉冲波形的平均功率163大约为70W。

激光器还可提供连续波(cw)激光束62，激光束62可被选择为第三或第四激光信号203、240。

使用在1μm波长窗口中发射并且具有约1mJ的脉冲能量165的纳秒光纤激光器来焊接高反射金属的能力是新出现的和非预期的。

参照图21，第二激光信号202可被选择成具有多个脉冲161。脉冲宽度166可以大于100ps。

第二激光信号202可被选择成其峰值功率162实质上大于第三激光信号203的峰值功率26。

第二激光信号202可被选择成其脉冲重复频率167实质上小于第三激光信号203的脉冲重复频率167。第二激光信号202的平均功率163的特征可在于：平均功率实质上等于第三激光信号203的平均功率163。第三激光信号102可以是连续波信号；这在焊接反射金属时可能是有利的，因为它避免了脉冲能量165的快速吸收，脉冲能量165的快速吸收增加了第一材料1的蒸汽压力并且导致从微焊件8喷发材料。第二和第三激光信号202、203可在激光束62的同一次通过中或在不同的通过中被应用于第一材料1上。

第一激光信号201的峰值功率162可被选择成使其峰值功率162大于第二激光信号202的峰值功率162。这可协助将激光束52耦合至第一材料62，因为需要高峰值功率162以克服第一材料1的反射145。

第一激光信号201的脉冲能量165可被选择成使其脉冲能量165小于第二激光信号202的脉冲能量165。

第二激光信号202的脉冲宽度166可被选择成小于2.5ms，较佳地小于1ms，并且更为较佳地小于100ns。

第二激光信号202的脉冲重复频率167可被选择成大于1kHz，较佳地大于10kHz，并且更为较佳地大于100kHz。

被优化的焊接过程可以是改善激光焊件3的表面231的平滑度的焊接过程。替换地或附加地，被优化的焊接过程可以是增加激光焊件3的强度的焊接过程。替换地或附加地，被优化的焊接过程可以是减少形成激光焊件3所用的时间的焊接过程。

如图25中所示，第一材料1可被涂层251涂覆。涂层251可以是金属镀层，诸如镍或铬，或者可以是化学诱导涂层，诸如阳极电镀。涂层251可以是聚合物涂层。

第一金属部件151可包括多个层231，如参照图26所示。多个层231可以是相同金属的折叠片、相同金属的层、或者不同金属的层。替换地或附加地，第二金属部件152可包括多个层232。多个层232可以是相同金属的折叠片、相同金属的层、或者不同金属的层。层231可包括与层232相同的金属，或不同的金属。焊件3被示为将第一金属部件151接合至第二金属部件152。焊件3被示为部分地穿透第二金属部件152。

图27示出了激光焊件275，其包括使用现有技术包括例如，用使用100mJ或更大的单个高能量脉冲的绿色激光器进行激光器焊接，或者使用准连续波光纤激光器进行焊接的第一金属部件151与第二金属部件152之间的焊池270。焊件275具有与图1中示出的焊件3类似的总体大小。因此，焊池270大幅度大于微焊件8，当参照图1到5和7到14所示地熔化时，具有较高的热质量并且将花费较长时间来冷却。这导致金属混合。然而，如果混合不是足够好的，则这导致形成相关联的边界层271，当焊接不同金属时，边界层271包含可能易碎的金属间化合物。还存在围绕焊池270的受热影响但其中金属不流动的区域(所谓的热影响区(HAZ)272)。作为热学热回火的结果，热影响区272的机械性质可被实质上降级，并且一般应该最小化。热影响区272在第一金属部件151的顶表面273和第二金属部件152的底表面274两者上一般是可见的(例如，在用酸蚀刻以后)。

当焊接钢与钢时，边界层271可导致沿晶界界面形成碳，由此提供用于使焊件3断裂的通路。类似地，当焊接不同金属时，边界层271可包括具有反映从熔化到凝固的冷却时间的晶粒结构的金属间化合物。此种金属间化合物本质上通常是易碎的，并且因此代表焊池270中的薄弱点。因此，边界层271和热影响区272的存在在或相似金属的焊接或不同金属的焊接中是不期望的。

无论从相似金属还是不同金属形成焊件275，包括焊件275的材料的机械性质很可能比包括第一金属部件151和第二金属部件152的基底材料的性质更弱。如果热影响区272影响第一和第二金属部件151、152的外观或化学组成，则它们也是要关注的。

当焊接薄片金属(小于1mm)时，与金属间化合物层271和热影响区272相关联的问题增加。涉及焊件冷却所花费的时间的其它问题包括对涂层，诸如第一和第二金属部件151、152上的聚合物的损坏。

图28描绘了图1中示出的焊件3的俯视图。这里，焊件3是环形的，通过围绕金属表面6光栅扫描激光束62来达成。热影响区281通常是可见的(可能在化学蚀刻之后)。然而，在参照图16和17所示地适当选择了激光器61和激光脉冲参数的情况下，一般在底表面上没有可见热影响区。这是因为微焊件8具有比焊池270显著更小的质量，并且因此更快地冷却。类似地，围绕微焊件8有极少或没有金属间化合物层271的迹象。这些特征相对于现有技术的焊接技术提供了大的优势。

参照图16和17，本发明的方法可以是脉冲重复频率167大于10kHz，并且光斑174、脉冲通量176、脉冲宽度166和脉冲重复频率167被选择成使得第一材料1和第二材料2中的至少一者在连续激光脉冲161之间再固化由此抑制在焊件3中形成金属间化合物相的方法。脉冲重复频率167可大于100kHz并且可大于200kHz。脉冲重复频率167可大于500kHz。

光斑大小174可小于100μm。光斑大小174可小于60μm。第一或第二材料1、2可具有比其它材料更高的熔化温度。第一材料1可在1微米的光波长140处具有大于90％的反射率145。

图29中示出的第二金属部件152可包括用涂层293涂覆的金属部件292。涂层293可以是金属镀层，诸如镍或铬，或者可以是化学诱导涂层，诸如阳极电镀。第一金属部件151可以是标签291，诸如在饮料罐中找到的。标签291被示为用焊件3焊接至第二金属部件152。

饮料罐通常由厚度小于250μm的薄铝片(第二金属部件152)制成。在饮料罐中，涂层293将是通常在形成焊件3之前应用的聚合物涂层。重要的是，形成焊件3的方法不降级涂层293。本发明的装置和方法藉由参照图1到24示出的微焊件8达成了这一目的，因为与现有技术的焊件相比，在第二金属部件152中生产较少的热。

图30是除了脉冲通量176和所吸收的能量密度303的示图，其中所吸收的能量密度303是由第一和第二金属部件151、152在激光脉冲161的每单位表面面积上吸收的总脉冲能量165。为了参照图1到5、7到15、18到24和25所示地初始化焊件3，使用至少等于第一脉冲通量阈值301的脉冲通量176是必要的。这是为了发起金属表面6的熔化。一旦金属表面6已经开始熔化，则其余的脉冲161应该具有至少等于第二脉冲通量阈值302的脉冲通量176。第二脉冲通量阈值302可实质上小于第一脉冲通量阈值301。随着每个脉冲161被吸收，它们对所吸收的能量密度302作出贡献。在经聚焦位置16的每个位置处吸收的所吸收能量密度303应该至少等于微焊件8开始穿透第二金属部件152的第一能量密度阈值304，但是小于焊件3变得不能接受地易碎的第二能量密度阈值305。如果过多的能量被焊件3吸收，则第一和第二材料1、2将存在过热，从而导致有足够的时间形成金属间化合物和薄弱焊件3。可看到，参照图16和17所示地改变脉冲参数，脉冲161的数量、以及经聚焦光斑12之间的距离181，与现有技术中的技术相比，对于焊件3有大的可控性，并且对于其形成并且因此对其机械性质有更大的控制。优选值将针对不同材料和材料厚度而变，并且可通过实验来发现。

参照图15和21描述的方法可包括用激光61来重新熔化第一和第二材料1、2中的至少一者的步骤。这可改善焊件3的表面外观，并且还改善物理特性，诸如剪切强度、剥离强度、孔隙度、以及欧姆电阻。

在以下提供的示例1和2中，激光器61是由英国南安普敦的SPI Lasers UK Ltd制造的型号SPI G4 70EP-Z纳秒掺镱光纤激光器。激光器61是参照图35和36描述的主振荡器功率放大器。光束品质146具有约1.6的M²值。扫描仪67是由德国慕尼黑的Raylase制造的具有10mm光束孔径的检流计扫描仪型号Super Scan II(超级扫描II)(未示出)。可用控制器(未示出)来控制，诸如其上有德国慕尼黑的SCAPS GmbH许可的SCAPS扫描仪应用软件的具有Windows 8操作系统的台式计算机。该计算机可被用于编程、操作和存储用于操纵激光束62的代码。透镜68是163mm焦距长度的F-theta透镜。

以上装备可被用于在第一材料1的顶表面6上形成和转换具有光斑大小174(1/e²直径)为40μm且面积175为1.256×10^-5cm²的经聚焦光斑的激光束62。

示例1

图15示出了通过在厚度143为100μm的铜与厚度144为400μm的铝之间形成的焊件310的截面的艺术印象。参照图2所示，焊件310是螺旋形，其螺旋臂9之间的第一间隔10为50μm，且直径4为1mm。孔71的宽度74μm约为5μm到20μm。焊件310使用来自激光器61的多个脉冲161形成，脉冲161在第一材料1上彼此覆盖约95％到98％的面积。激光器61已经切割了第一材料1，第一材料1是铜，并且第二材料2(铝)已经流入孔71。第一材料1中的至少一些已经被注入到第二材料2中，如由包括第一材料1的区域121所示。区域121延伸至第二材料2中约300μm到400μm。还存在空隙122。如由深度311的大约为三角形虚线所示，热影响区281存在于孔71之下。出于清楚，仅示出了热影响区281中的一个热影响区。此热影响区281类似于将热塑性部件熔化在一起时通常看到的热桩。

焊件310具有极好的剪切阻力，如通过剪切测试所显示的。图32解说了当图31中示出类型的三个焊件310被剪切时的故障模式。第一材料1围绕焊件310而不穿过焊件310发生故障，由此指示焊件310比周围材料要强壮。这是意外的结果，并且示出在无需形成特性易碎的金属间化合物的情况下能够使第二材料2流入孔71的重要性。

焊件310具有惊人的良好剪切阻力，以及极好的欧姆电阻。这使得如参照图15、21和31描述的本发明的焊接过程适于将第一材料1和第二材料2的片与焊件3接合，其中焊件3提供第一材料1与第二材料2之间的电接触。在图33的示例中，第一材料1是铜，而第二材料2是铝，它们是通常在电池中找到的材料组合。

可通过增加孔71的沉孔加工来获得附加剥离强度，如图7中所示。

示例2

图34示出了第一材料1铜与第二材料2黄铜之间的焊件340的截面的艺术印象。焊件340也以与参照图13示出的焊件310类似的螺旋来形成。令人吃惊的是，黄铜已经流入铜材料以形成具有极少金属间化合物混合的焊件340。焊件340实质上是不同质的。铜和黄铜已经流动，但未被混合在一起以形成新的同质材料相。铜和黄铜的材料相是很大程度上未混合的，其中铜和黄铜在其原始材料相中。考虑到黄铜是铜和锌的合金，这是特别令人吃惊的。存在在第二材料2内包含的第一材料1的区121。还存在空隙122。由焊件340形成的结果所得的接头具有极好的剪切强度。

示例3到10

示例3到10中使用的激光器61是由英国南安普敦的SPI Lasers UK Ltd制造的型号SPI G4 70W HS-H纳秒掺镱光纤激光器。激光器实质上类似于示例1和2中使用的激光器，尽管具有更差的光束品质146，其从约M²＝1.6增加到约M²＝3。光斑大小174约为80μm，这约是在示例1和2中用较高亮度的激光器获得的两倍大。用参照表1和附图25和36描述的激光器提供了类似波形。

表2示出了示例3到10中的焊件3的细节。每个示例中列出的第一金属是第一材料1，而列出的第二金属是第二材料2。

焊接图案5是图3的矩形剖面线。第一间隔10和第三间隔32两者彼此相等，并且在0.2mm与2mm之间变化。在示例3到10中的每一者中找到的最佳值约为0.5mm。

微焊件8的特性特征大小7是微焊件的宽度，取决于所使用的材料，该宽度约为60μm到250μm。

取决于金属及其厚度，焊件3的宽度4在1.5mm与5mm之间。在较厚的金属上使用较大的宽度。

在示例5到10中，氩被用作保护气体155。在示例3和4中不使用保护气体。镍合金是商品名称INCONEL 718下售卖的奥氏体镍铬铁合金。不锈钢是商品名称SS316下的含钼级奥氏体不锈钢。

在表2中，第一栏示出了焊接在一起的材料。在每个示例中，列出的第一金属是第一材料1，而列出的第二金属是第二材料2。第一和第二材料1、2的厚度143、144被示为以mm计的大小。

在每个示例中，在参照图3示出的相同图案5中有激光束61的两次通过。第一次通过的参数在每个示例的第一行中示出，而第二次通过的参数在每个示例的第二行中示出。这些参数是变化的以优化焊件3的外观和强度，并且经优化的参数在表中示出。

第一次通过具有比第二次通过的峰值功率162更高的峰值功率162。第一次通过在第一材料1中创建了孔71，如参照图8所示。孔71还可延伸至第二材料2中。第一次通过还创建焊件3。然而，由第一次通过创建的大多数焊件3可被容易地打破，其一般是不强壮的并且具有较差的外观。第二次通过熔化了第一和第二材料1、2中的至少一者。如果第二材料2优先于第一材料1熔化，则第二材料2流入孔71中，如参照图9所描述的。然而，如果第一材料1优先于第二材料2熔化，则第一材料1流入孔71中，孔71可延伸至第二材料2中。示例3到10中的每一者的结果是实质上强于用第一次通过达成的焊件3。可相信，这是因为抑制了金属间化合物的形成。另外，第二次通过清洁了表面6，赋予了焊件3光滑并且清洁的外观。

在除示例9外的各示例的每一个示例中，第一次通过在脉冲重复频率167为266kHz具有13kW的峰值功率162对于示例9，第一材料1是铜，并且以较慢的扫描速度和25kW的峰值功率162来执行第一次通过。示例4和10中也要求较慢的扫描速度，其中第二材料2是铜；铜具有高反射率145。在示例7中减小扫描速度是不必要的。不希望限制本发明的范围，可相信，这可能因为钛具有比铜更高的熔点。

第二次通过中使用的激光器参数被改变以优化焊件3的强度和外观。令人吃惊的是，可在每个情形中用连续波信号来产生好的焊件。然而，在示例3到9中，更高频率的波形产生更强的焊件。在示例4到9中，脉冲重复频率167是600kHz，从而导致与第一次通过相比，具有脉冲能量165的约44％的脉冲161。在示例3中，作为使用较低平均功率的结果，第二次通过中的脉冲能量165是第一次通过的脉冲能量165的32％。可相信，当激光束62在第二次通过期间被吸收时，较低的脉冲能量导致生成较小的蒸汽压力。对于示例10，使用峰值功率162等于50W的平均功率163的连续波信号作出第二次通过。扫描速度是20mm/s，这低于第一次通过的扫描速度30mm/s。针对所有都涉及焊接铜的示例4、9和10中的第二次通过，使用相对慢的扫描速度(与75到80mm/s相比为20到25mm/s)是必要的。当将钛焊接至铜时(示例7)，第二次通过的扫描速度是80mm/s。

由示例3到10产生的焊件3具有与现有技术的焊件非常不同的外观通过利用从激光器获得的各种脉冲波形，从迄今为止难以焊接的材料(诸如不锈钢到铝)中获得强壮的焊件是可能的。

表2：示例3到10中使用的工艺参数

示例11

除了以下提及的以外，示例11到13中描述的焊件是使用与示例1和2使用的相同装置来制作的。参照图15，第一材料1是150μm厚度的铜级C110，而第二材料2是500μm厚度的铝级5052。遵循实验以确定峰值功率162、脉冲形状164、脉冲能量165、脉冲宽度166、以及脉冲通量176，决定以50mm/s的线性速度在金属表面6上并且以连续经聚焦光斑12之间的距离181(参照图18所示)为0.7μm(测量的中心到中心)来扫描激光束62。这对应于70kHz的脉冲重复频率167。恰适的控制参数随后被馈入到控制器153中并且激光器61因此设定，激光束62重复地以70kHz的脉冲重复频率167来脉冲化，并且参照图10所示地在螺旋22中在金属表面6上扫描。螺旋22用50mm/s的线性速度来形成。螺旋22的总长度为15.8mm，并且从螺旋的内部22到外部24来形成。焊件3的直径4是1mm。脉冲宽度166在全宽度半最大值FWHM处是115ns。脉冲宽度169在10％的峰值功率162处是520ns。在平均功率163为70W并且峰值功率162为5kW的情况下，总脉冲能量165是1mJ。在脉冲通量176为79.6J/cm²的情况下，每个激光脉冲161具有3.98x 10⁺⁸W/cm²的峰值功率强度。使用50％的氩和50％的氦的保护气体混合物155。气体供应156是置于焊件3上方的6mm直径的铜喷嘴。气体以每小时10立方英尺通过流控调节器来提供。形成的焊件3是图2和15中示出的类型。热桩17沿螺旋22形成连续线，并且至少部分地跨螺旋22在径向25(对应于图15中示出的方向155)分开。焊池19是跨焊件3的整个表面面积连续的，尽管如图15中所示，焊件3的表面不是平滑的。焊件3的观察显露了顶表面6上的铝着色，从而指示铝已经熔化并流动。铜和铝已经至少部分地在焊件3中混合。观察到焊件3对于其大小极为强壮。

示例12

参照图15，第一材料1是150μm厚度143的铜级C110，而第二材料2也是150μm厚度144的铜级C110。在实验之后，确定可使用相同的工艺参数，如参照示例11所述。观察到结果所得的焊件对于其大小是极为强壮的。

示例13

参照图15，第一材料1是250μm厚度143的不锈钢级304，而第二材料2是250μm厚度144的规格不锈钢304。遵循实验以确定峰值功率162、脉冲形状164、脉冲能量165、脉冲宽度166、以及脉冲通量176，决定以225mm/s的线性速度在金属表面6上并且以连续经聚焦光斑12之间的距离181(参照图18所示)为0.225μm(测量的中心到中心)来扫描激光束62。这对应于1MHz的脉冲重复频率167。恰适的控制参数随后被馈入到控制器153中并且激光器61因此设定，激光束62重复地以1MHz的脉冲重复频率167来脉冲化，并且参照图2所示地在螺旋22中在金属表面6上扫描。螺旋22用225mm/s的线性速度来形成。螺旋22从内部22到外部24形成。焊件3的直径4是1mm。脉冲宽度166在全宽度半最大值FWHM处是9ns。脉冲宽度168在10％的峰值功率162处是9ns。在平均功率163为70W并且峰值功率162为8kW的情况下，总脉冲能量165是7μJ。在脉冲通量176为5.6J/cm²的情况下，每个激光脉冲161的峰值功率强度179为6.36x 10⁺⁸W/cm²。使用50％的氩和50％的氦的保护气体混合物155，它们从焊件3上方的6mm直径铜喷嘴以每小时10立方英尺通过流控调节器来提供。形成的焊件3是图2和15中示出的类型。热桩17沿螺旋22以连续线形式从焊件3延伸，并且至少部分地跨螺旋在径向25(对应于图15中示出的方向155)分开。焊池19是跨焊件3的整个表面6连续的，尽管如图15中所示，焊件3的表面不是平滑的。焊件3的顶表面类似于传统的搭接焊件，具有极好的金属混合，但是几乎可忽略不计的热影响区272(参照图27示出)。然而，热桩17从焊件3的延伸实质上小于分别对于示例11和12的铜铝和铜铜焊件观察到的。观察到焊件3对于其大小极为强壮。

本发明还提供了根据本发明的方法的焊件3。

本发明还提供了当根据本发明的方法焊接时的制品。制品的示例是智能电话、移动电话、膝上型计算机、平板计算机、电视机、消费者电子设备；电池；太阳能电池；集成电子电路组件；印刷电路板；电连接；柔性电路元件与薄截面母线之间的低轮廓电连接；用于医疗电子设备的金属外壳；以及消费者电子设备中的电连接；金属标签和标记；珠宝中的银、铂、和金部件。

应当理解，以上参照附图和示例给出的本发明的各实施例已经仅通过示例给出，并且可实现修改。附图中示出的个别组件以及示例中示出的个别值可用于其它附图和其它示例以及本发明的所有方面。

Claims (30)

1.用于将由第一金属构成的第一金属部件激光焊接到不同于所述第一金属的、由第二金属构成的第二金属部件的装置，所述装置包括：

·发射激光脉冲形式的激光束的激光器，

·用于相对于所述第一金属部件的金属表面移动所述激光束的扫描仪，

·用于将所述激光脉冲聚焦到所述金属表面上的物镜，以及

·控制所述扫描仪从而所述扫描仪相对于所述金属表面移动所述激光束以形成多个经聚焦的光斑的控制器，

其特征在于，

·所述装置被配置成用导致在所述第一金属部件中形成多个熔池以及在所述第二金属部件中形成热桩的光斑大小和脉冲通量来聚焦所述激光脉冲，

·每个热桩从所述熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端，以及

·所述控制器被配置成移动所述扫描仪以便所述经聚焦的光斑分隔开小到足以使得所述熔池交叠并且大到足以确保所述热桩的远端在至少一个方向上彼此区别和分开的距离，以及

·所述激光器能够发射具有在1ps到3000ns范围内的脉冲宽度的脉冲。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光斑大小在25μm和100μm之间。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光斑大小在30μm和60μm之间。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器被配置成提供10mJ或更少的脉冲能量。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述脉冲能量是1mJ或更少。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器被配置成在所述经聚焦的光斑上提供10到100个脉冲。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一金属部件包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、金、银、铂、镍、钛、不锈钢、青铜、黄铜和镍钛合金。

8.一种用于将由第一金属构成的第一金属部件激光焊接到不同于所述第一金属的、由第二金属构成的第二金属部件的方法，所述方法包括：

·将所述第一金属部件置于所述第二金属部件上，

·提供用于发射激光脉冲形式的激光束的激光器，

·提供用于相对于所述第一金属部件的金属表面使所述激光束扫描的扫描仪，

·提供用于将所述激光脉冲聚焦到所述金属表面上的物镜，

·提供被适配成控制所述扫描仪以使其相对于所述金属表面移动所述激光束的控制器，

·用导致在所述第一金属部件中形成多个熔池以及在所述第二金属部件中形成热桩的光斑大小和脉冲通量来聚焦所述激光脉冲，其中每个热桩从所述熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端，以及

·适配所述控制器以使经聚焦的光斑分隔开小到足以使得所述熔池交叠并且大到足以确保所述热桩的远端在至少一个方向上彼此区别和分开的距离；以及

·其中所述激光器能够发射具有在1ps到3000ns范围内的脉冲宽度的脉冲。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光斑大小在25μm和100μm之间。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光斑大小在30μm和60μm之间。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光器被配置成提供10mJ或更少的脉冲能量。

12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脉冲能量是1mJ或更少。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光器被配置成在所述经聚焦的光斑上提供10到100个脉冲。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光焊件是自生的。

15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热桩具有小于或等于其深度的一半的宽度。

16.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件被涂覆。

17.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件包括多个层。

18.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二金属部件包括多个层。

19.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件和所述第二金属部件是由不同金属形成的。

20.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件包括选自由以下构成的组中的金属：铜、铝、金、银、铂、镍、钛、不锈钢、青铜、黄铜和镍钛合金。

21.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件包括铝且所述第二金属部件包括钢。

22.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一金属部件在焊件的区域中具有不超过2mm的厚度。

23.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述厚度小于1mm。

24.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述厚度小于0.5mm。

25.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述第二金属部件在焊件的区域中具有至少100μm的厚度。

26.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二金属部件在焊件的区域中的厚度小于0.5mm。

27.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热桩是螺旋形式的。

28.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述距离使得所述经聚焦的光斑在至少一个方向上彼此交叠。

29.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括使所述扫描仪抖动所述经聚焦的光斑的步骤。

30.一种包括当根据权利要求8到28中任一项权利要求所述的方法焊接到第二金属部件时的第一金属部件的制品。

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