CN112676702B - 复合双波长对于有色金属的精密微焊接的方法和装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合双波长对于有色金属的精密微焊接的方法和装备。通过第一激光器产生的第一激光光束准直后，与第二激光器产生的激光光束经过第二激光振镜输出的第二激光光束合束后，再通过第一激光振镜输出合束激光，合束激光通过聚焦作用于被焊接体上；所述聚焦后的第二激光光斑在第一激光光斑内运动。本发明方法在焊接过程中，将大功率长波长的聚焦激光光斑融合与小功率短波长的聚焦激光光斑中，并在小功率的聚焦激光光斑中运动，使得被焊接体的焊接点在吸收小功率激光能量的同时，大功率激光能量被焊接点的吸收功率，因此本焊接点的大小通过大功率激光光斑确定，进而最大限度的减小焊接点的大小，可以把焊点尺寸做得很小，满足难焊金属和异性金属的精密微焊接的要求。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术，具体涉及一种利用双波长激光进行焊接的技术。
背景技术
对于金属熔接焊，国内和国外的水平相当，焊点大小都在300微米以上。在金属精密熔接焊方面，常规黑色金属的主流激光焊接设备为红外波段的QCW光纤激光器，其安全可焊接的最薄厚度约为0.15mm。而在有色金属薄片方面，由于吸收系数的熔化相变跳跃，红外激光焊接常常导致飞溅、喷射、空洞等焊接质量问题。
红外双激光焊接技术在黑色金属焊接方面已经被使用，可以在保证焊接熔深的同时，又能够消除未熔合、气孔等缺陷，如CN106862757A公开一种双激光束复合焊接方法，该技术利用焊接激光束以及振镜扫描激光束共同作用在被焊接部位，其中焊接激光主要用于熔化母材，达到深熔焊，振镜扫描激光束用于对熔池搅拌，同时对熔化母材提供热量。焊接过程中，焊接激光束和振镜扫描激光束沿焊缝一同移动。对于焊点而言，由于同时作用了焊接激光光斑和振镜扫描激光，因此焊点处的焊接热量会在短时间内瞬间集中升高，虽然具有较大的焊接深宽比。但由于有色金属红外吸收的相变跳跃性，此方案不适用于有色金属的精密焊接。
CN102896419公开一种双激光光束复合焊接装置及其使用方法，该技术将绿激光和YAG激光分别准直后，通过绿激光预热后再施以YAG激光，虽然该方法可以解决表面高反射系数材料的焊接问题。由于该装置将两种激光简单合束聚焦重合，使得两种激光光斑的大小不能调整，因此焊接点的大小取决于绿激光的大小，导致焊接点大；不能用于精密微焊接，另外，也不能实现小焊点、大熔深的焊接。
在5G产业链中，如光模块、天线、连接器、电子部件等器件的焊接将有不大于100μm的精密焊接需求，不仅要求要保证焊接处的外观没有飞溅、空洞，同时要求焊点具有很好焊接强度。这其中包括黑色金属的熔接焊(比如不锈钢片之间的焊接)、有色金属的熔接焊(比如铜片、金片的焊接)、异性金属的熔接焊(比如铜-铝、铜-钢、钢-铝等之间的焊接)等。如何解决上述金属的精密微焊接系行业急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合双波长对于有色金属的精密微焊接的方法和装备，以实现有色金属的精密微焊接。
本发明的技术方案之一复合双波长对于有色金属的精密微焊接的装备，它包括第一激光器，顺第一激光器光路上设的第一准直器；第二激光器，顺第二激光器光路上设的第二准直器，
第二激光振镜，用于调整第二准直器输出的激光光斑的位置和运动轨迹；
合束装置，用于将第一准直器输出的第一激光光束和第二激光振镜输出的第二激光光束合束；
第一激光振镜，用于调整合束激光光束的激光光斑的位置和运动轨迹；
聚焦镜，将第一激光振镜的输出的合束激光聚焦输出；合束激光的第二激光器的光斑在第一激光器的光斑内。
进一步优化的技术特征是：所述合束装置包括光路镜组，光路镜组设在第二激光振镜输出光路上，将第二激光振镜的输出激光复合到第一激光器光路上。
进一步优化的技术特征是：光路镜组包括全反及透镜，第二激光振镜的输出垂直与第一激光器输出光路，全反及透镜设在第一激光器输出光路上。
进一步优化的技术特征是：第一激光器的光束采用平顶分布、环形分布，马鞍形分布或平顶环形组合分布。第二激光器的光束的运动轨迹模拟采用环形分布，或马鞍形分布或平顶环形组合分布的形状运动。
进一步优化的技术特征是：第一激光器输出的激光波长为短波长，范围为400nm-600nm；第二激光器输出的激光波长为长波长，范围为800nm-1200nm。
进一步优化的技术特征是：第一激光器包括蓝光激光器，第二激光器包括红外激光器。
本发明利用第二激光振镜对第二激光器产生的激光光束的调整后，再与第一激光光束复合后，再通过第一激光振镜调整复合激光光束输出，实现双波长激光的双调整，一方面可以最大限度减少第二激光器的焊接光斑大小，使得第二激光器的焊接光斑在第一激光器的焊接光斑之内，同时，可以是第二激光器的焊接光斑在第一激光器的焊接光斑之内移动。还可以实现多种不同的激光束的能量分布形式，避免中心区域的温度过高。
本发明的技术方案之二复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法是包括：第一激光器产生的第一激光光束准直后，与第二激光器产生的激光光束经过第二激光振镜输出的第二激光光束合束后，再通过第一激光振镜输出合束激光，合束激光通过聚焦作用于被焊接体上；所述聚焦后的第二激光光斑在第一激光光斑内运动，第二激光的功率大于第一激光功率。
所述第一激光器为蓝激光器，第二激光器为红外激光器。
进一步优化的技术特征是：第一激光器的光束采用平顶分布、环形分布，马鞍形分布或平顶环形组合分布；第二激光器的光束的运动采用模拟环形分布或马鞍形分布或平顶环形组合分布的运动轨迹移动。
进一步优化的技术特征是：所述聚焦后的第二激光光斑直径为20-30μm的光点。
进一步优化的技术特征是：第二激光光斑在第一激光光斑内运动过程中，不经过第一激光光斑的中心区域。
进一步优化的技术特征是：第二激光光斑在第一激光光斑内运动过程中，第二激光光斑通过沿折线或曲线摆动形成模拟平顶分布、环形分布，或马鞍形分布或平顶环形组合分布的运动轨迹。
本发明方法在焊接过程中，将大功率的聚焦激光光斑融合与小功率的聚焦激光光斑中，并在小功率的聚焦激光光斑中运动，一方面使得被焊接体的焊接点在吸收小功率激光能量的同时，在小功率激光光斑内移动的大功率激光能量被焊接点的吸收功率，因此本焊接点的大小通过大功率激光光斑确定，进而最大限度的减小焊接点的大小，实现焊点尺寸的微小化小，满足有色金属和异性金属的精密微焊接的要求。
附图说明
图1本发明设备结构示意图。
图2激光光束能量分布方式示意图。
图3以不同的光束扫描轨迹方式模拟不同的焊点光斑能量分布示意图。
图4点焊小功率激光光束移动轨迹示意图。
图5缝焊小功率激光光束移动轨迹示意图。
图6本发明焊点大小控制在红外激光作用尺寸的大小示意图。
图7双波长点焊接的效果示意图。
具体实施方式
下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
如图1所示，实施例中，第一激光器101为蓝光激光器：其波长在440-460nM，功率10-250W可调、工作模式连续、输出光纤芯径200-400uM、数值孔径0.10-0.23。第一激光器101的输出光路上设第一准直器102，将光纤输出的发散激光调整为接近平行光。第一准直器102的输出光路上设全反及透镜104。
第二激光器110为红外激光器，其波长在1060-1070nM、平均功率100-800W、峰值功率大于10KW，脉冲宽度10-500nS可调、频率10-2000KHz。
第二激光器110的输出光路上设第二准直器120；第二准直器120的输出光路上设第二激光振镜111，第二激光振镜111输出光路通过全反及透镜104。全反及透镜104对第一激光束(蓝光激光束)透射，对第二激光束(红外激光束)全反射，这样实现第一激光束(蓝光激光束)和第二激光束(红外激光束)复合。
复合后的激光束的光路上设第一激光振镜106；第一激光振镜106的输出光路上设聚焦镜113；聚焦镜113为去色散远心f-θ透镜。
在激光光路上还设有同轴图像采集装置103，红外温度传感器105。图像采集装置103，为常规的成像装置，将通过分光镜109、全反及透镜104、分光镜112、第一激光振镜106、聚焦镜113所看到的焊点图像聚焦其靶面上进行图像采集。分光镜109和分光镜112设在位置不限于图示位置。红外温度传感器105利用测量物体红外辐射能方式的温度测量装置，将通过分光镜112、第一激光振镜振镜106、聚焦镜113接收到的焊点热红外辐射能聚焦其中达到测量焊点温度的作用。
在使用本发明装备实施双波长激光焊接之前，通过调整设定蓝光激光器输出的激光光束的能量分布方式，实施例中采用如图2所示的不同的激光能量分布方式，如采用平顶分布A或环形分布B或马鞍形分布(图中未示)或平顶环形组合分布C；调整设定红外光激光器输出的激光光束的能量分布方式，采用高斯分布D或平顶分布、环形分布，马鞍形分布或平顶环形组合分布；并调整设定红外光激光聚焦光斑的大小，实施中，红外光激光聚焦光斑的大小为直径在20-30μm的光点。
实施例中，蓝光激光器的能量分布采用平顶分布A，图6所示。
焊接过程包括：
调整偏转激光振镜106输出通过聚焦镜113使激光焦点移动到带焊接位置的焦点移动到待焊接位置；设定连续偏转激光振镜111的运动轨迹。
打开蓝光激光器101照射焊点10-100mS。
保持蓝激光器工作；保持激光振镜106的焦点位置不变；打开红外激光器110，在第二激光振镜111的作用下红外激光的焦点会在蓝光激光焦点内部运动焊接，第二激光光斑在第一激光光斑内运动过程中，第二激光器的红外激光光斑107的运动采用模拟平顶分布、环形分布，或马鞍形分布或平顶环形组合分布的运动轨迹移动；实施例模拟环形组合分布的运动轨迹如图1中108所示，进一步的控制激光振镜106，将均匀线段变成摆动的曲线沿折线或曲线轨迹运动如4所示，形成模拟的平顶环形组合分布的运动轨迹。不经过第一激光光斑的中心区域。该控制过程，一方面可以避开已经产生的离子云，更重要的是，由于热传导作用，可以延长已熔化区域保持熔化状态的时间，减少气体排出阻力，给气体的排出流出足够是响应时间。
红外激光发射完毕后等待10-100ms关闭蓝光激光器结束当前点焊接。
偏转激光振镜106使激光焦点移动到一个焊接位置后重复第二、第三、第四、第五步。
对于缝焊，持续移动激光振镜106，使得合束的激光束沿焊缝移动，第二激光振镜111的作用下红外激光的焦点会在蓝光激光焦点内部运动焊接，第二激光光斑在第一激光光斑内运动过程中，采用如图5所示轨迹摆动。
上述过程中利用双波长复合焊接中红外激光路线上的独立扫描振镜111，结合焊接微尺寸光斑的扫描运动轨迹图形设计，通过不同焊点能量分布下的摇摆焊，可以实现深熔焊模式下飞溅、空洞的有效抑制，保证金属精密微焊接的焊接质量。
以200W蓝光和300W红外复合焊为例。在中心复合区域，在初始阶段，吸收的功率为200W×65％+300W×5％＝145W，随着温度的增加吸收的功率逐渐增加直至到达熔化，此时的吸收功率为200W×(65％+20％)+300W×(5％+20％)＝275W，增加的功率和单独300W蓝光时相当，可以使焊接维持在稳定的热传导焊接模式。而在外面蓝光区域，在初始阶段，吸收的功率为200W×65％＝130W，其到达熔点时吸收功率仅为200W×(65％+20％)＝170W，因此蓝光区域吸收的功率不足以到达熔点温度。可见，焊接焊点的大小取决于中心红外激光光斑的大小，蓝光其到的作用是升温以增大红外激光吸收率的作用。如图6所示。由于红外光纤激光的光束质量很好，因此可以把焊点尺寸做得很小，满足有色金属和异性金属的精密微焊接的要求。如图7所示。
上述实施例中的如下表：
由于半导体蓝光激光器目前还无法做到高功率、高光束质量，单纯的蓝光半导体无法满足精密微焊接微小焊点的要求，在有色金属微小焊接尺寸的要求时，由于蓝光半导体的光束质量远没有红外光纤激光器的好，因此聚焦焦点处(焊点上)蓝光光斑明显大于红外激光光斑。接焊点的大小取决于中心红外激光光斑的大小，蓝光的作用是升温以增大红外激光吸收率的作用。由于红外光纤激光的光束质量很好，因此可以把焊点尺寸做得很小，满足有色金属和异性金属的精密微焊接的要求。采用本发明所述的方法采用双振镜配合方式可以轻易满足以上焊接工艺的要求，同时使用振镜106来同时移动蓝光和红外光斑实现焊点切换。振镜111的模拟能量分布以及摆动的运动方式，使具有峰值功率的红外激光在两层有色金属上形成如同心圆样的匙孔焊接效果。
有些情况下，为了得到有色金属的小焊点、大熔深，需要实现深熔焊。复合波长模式也可以实现高质量的精密深熔焊。由于使用了比单一红外波长要小得多的红外激光功率，因此可以通过调节加热时间和红外功率来很好地控制匙孔蒸汽的产生，避免飞溅。当延迟蓝光的关闭时间时，由于蓝光的保温作用，液化的金属有足够的液化状态时间来保证蒸汽和其他的充分排出，因此，很好地抑制了飞溅和空洞的形成。
Claims (6)
1.一种复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，它包括蓝光激光器，顺蓝光激光器光路上设的第一准直器；红外激光器，顺第二激光器光路上设的第二准直器，其特征是，它还包括：
第二激光振镜，用于调整第二准直器输出的激光光斑的位置和运动轨迹；
合束装置，用于将第一准直器输出的第一激光光束和第二激光振镜输出的第二激光光束合束；
第一激光振镜，用于调整合束激光光束的激光光斑的位置和运动轨迹；
聚焦镜，将第一激光振镜的输出的合束激光聚焦输出；合束激光的红外激光器的光斑在蓝光激光器的光斑内；
蓝光激光器产生的第一激光光束准直后，蓝光激光器照射焊点10-100ms；与红外激光器产生的激光光束经过第二激光振镜输出的第二激光光束合束后，再通过第一激光振镜输出合束激光，合束激光通过聚焦作用于被焊接体上；所述聚焦后的第二激光光斑在第一激光光斑内运动，第二激光的功率大于第一激光功率；第二激光光斑在第一激光光斑内运动过程中，不经过第一激光光斑的中心区域；聚焦后的第二激光光斑为20-30μm的光点；
第二激光发射完毕后等待10-100ms关闭第一激光结束当前点焊接。
2.如权利要求1所述复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，其特征是，所述合束装置包括光路镜组，光路镜组设在第二激光振镜输出光路上，将第二激光振镜的输出激光复合到蓝光激光器光路上。
3.如权利要求2所述复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，其特征是，光路镜组包括全反及透镜，第二激光振镜的输出垂直与蓝光激光器输出光路，全反及透镜设在蓝光激光器输出光路上。
4.如权利要求1所述复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，其特征是，蓝光激光器输出的激光波长为短波长，范围为400nm-600nm；红外激光器输出的激光波长为长波长，范围为800nm-1200nm。
5.如权利要求1所述复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，其特征是，蓝光激光器的光束采用平顶分布、环形分布，马鞍形分布或平顶环形组合分布；红外激光器的光束的运动采用模拟平顶分布、环形分布，或马鞍形分布或平顶环形组合分布的运动轨迹移动。
6.如权利要求1或5所述复合双波长对于有色金属的精密微焊接方法，其特征是，第二激光光斑通过第二激光振镜在第一激光光斑内运动过程中，复合光斑不动进行点焊，或通过第一激光振镜的运动进行缝焊。
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Denomination of invention: Method and equipment for precision micro welding of non-ferrous metals using composite dual wavelength technology Granted publication date: 20221108 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Wuhan Lingyun Photoelectronic System Co.,Ltd. Registration number: Y2024980023710 |
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