CN113523554A - 基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，包括以下步骤：S1.将待焊L形鳍片的焊接面进行喷丸处理；S2.将喷丸处理后的L形鳍片与热管散热器导热基板进行点焊预固定；S3.基于L形鳍片的焊接面生成焊接路径，设置激光振镜扫描方式，调节蓝光激光器功率，自L形鳍片焊接面的一侧开始焊接至另一侧结束焊接，在焊接过程中L形鳍片位置保持固定，激光振镜沿运动路径按设定速度移动以完成当前L形鳍片的焊接。本发明提出的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，可解决目前利用回流焊、高频感应加热焊接热管散热器导热基板和鳍片时存在的浸润不全、气孔和铜合金、铝合金鳍片激光焊接功率大、吸收率低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及热管散热器焊接技术领域，尤其涉及一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法。
背景技术
半导体集成电路的工作温度是影响其稳定性的一个重要因素，而随着半导体电路的集成度不断提高，其单位面积的产热量也不断上升，这就对散热器的散热性能提出了更高的要求。热管散热器独特的相变换热方式使其能够达到比实体散热器更低的热阻和更高的散热效率，因而被广泛应用于集成电路的散热系统中。
目前，市面上常用的热管散热器结构主要包含热管、导热基板和鳍片三个部分，其中，鳍片可与热管直接连接或通过导热基板与热管间接连接。鳍片和导热基板的连接通常是采用回流焊来实现的，通过预先在鳍片与导热基板的焊接部位涂加低熔锡膏，并利用专用夹具装夹后送入回流焊炉中经过多步温升工艺来实现焊接。由于锡膏的浸润能力有限，在大面积回流焊中难以完全实现对待焊部位的浸润，而使得导热接触面积低于理论接触面积，导致散热效率的下降。
针对以上现状，本领域亟待提出一种可代替锡膏焊接热管散热器鳍片的焊接方法，以克服当前热管散热器鳍片与导热基板焊接过程中的不足。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，旨在解决目前利用回流焊、高频感应加热焊接热管散热器导热基板和鳍片时存在的浸润不全、气孔和铜合金、铝合金鳍片激光焊接功率大、吸收率低等问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待焊L形鳍片的焊接面进行喷丸处理；
S2.将喷丸处理后的L形鳍片与热管散热器导热基板进行点焊预固定；
S3.基于L形鳍片的焊接面生成焊接路径，设置激光振镜扫描方式，调节蓝光激光器功率，自L形鳍片焊接面的一侧开始焊接至另一侧结束焊接，在焊接过程中L形鳍片位置保持固定，激光振镜沿运动路径按设定速度移动以完成当前L形鳍片的焊接。
优选地，步骤S2具体如下：将喷丸处理后的L形鳍片放置于热管散热器导热基板的待焊区域，调节蓝光激光器的功率，在L形鳍片的焊接面始端和末端进行激光点焊预固定。
优选地，步骤S2中激光斑束直径为40μm -60μm，激光功率为150W-250W，激光波长为430 nm -450nm。
优选地，步骤S2中点焊时间1s-3s，保护气为Ar气，保护气流量为14L/min-16L/min。
优选地，L形鳍片和导热基板的材料为铜或铜合金，L形鳍片和导热基板厚度均为0.2mm-0.4mm。
优选地，步骤S1中喷丸处理时，采用粒径为0.05mm-0.1mm的不规则形状的陶瓷弹丸、铸钢弹丸或铸钢弹丸，喷丸压力为0.1MPa-0.2MPa，喷丸覆盖率大于等于100%。
优选地，喷丸处理后，L形鳍片表面粗糙度在Ra10-Ra20之间。
优选地，步骤S3中激光振镜扫描方式为圆形或无穷形。
优选地，步骤S3中激光振镜的设定速度为5m/min-6m/min。
优选地，步骤S3中激光斑束直径为40μm-60μm，激光功率为400W-600 W，激光波长为430 nm -450nm，扫描频率为20 Hz -40 Hz，保护气为Ar气，保护气流量为16L/min-20 L/min。
本发明提出的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，具有以下有益效果：
1.本发明选用的蓝光激光器产生的激光对铜及其合金具有显著高于红外激光的吸收率，同时利用喷丸处理提高了铜及其合金鳍片焊接面的表面粗糙度，增加了激光在焊接面上的漫反射，进一步提高了鳍片对激光的吸收率，能够实现在较小功率下对鳍片进行焊接，减小对鳍片的热输入，降低焊缝变形；
2.本发明利用激光振镜进行扫描焊接，圆形或无穷形扫描激光能够稳定焊接过程中形成的匙孔，并使熔池产生振荡，延长熔池中气孔的逸出时间，降低焊缝气孔率；
3.本发明采用的扫描振镜激光焊接工艺，在进行鳍片和导热基板的焊接时，无需在焊接面涂加锡膏，避免了目前回流焊中易出现的浸润不足、气孔等缺陷，同时鳍片与导热基板的直接连接相较于锡膏连接也具有更高的平均导热系数，即具有更好的散热性能。
附图说明
图1为本发明基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法在实施时的示意图；
图2为本发明基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法中激光振镜以圆形方式扫描时的焊接路径；
图3为本发明基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法中激光振镜以无穷方式扫描时的焊接路径；
图4为本发明基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法实施例一中热管散热器的结构示意图；
图5为本发明基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法实施例二中热管散热器的结构示意图。
图中，1-激光振镜，11-光纤，2-L形鳍片，21-L形鳍片的焊接面，3-导热基板，4-工作平台。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1，一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，包括以下步骤：
S1.将待焊L形鳍片2的焊接面21进行喷丸处理，以获得适宜的表面粗糙度；
S2.将喷丸处理后的L形鳍片2与热管散热器导热基板3进行点焊预固定；
S3.基于L形鳍片2的焊接面21生成焊接路径，设置振镜扫描方式，调节蓝光激光器功率，自L形鳍片2的焊接面21一侧开始焊接至另一侧结束焊接（即沿L形鳍片2长度方向进行焊接），在焊接过程中L形鳍片2位置保持固定（通过工作平台4将导热基板3固定，以实现L形鳍片2位置保持固定），激光振镜1沿运动路径按设定速度移动以完成当前L形鳍片2的焊接；
S4.重复步骤S2和S3直至完成所有L形鳍片2的焊接。
步骤S2具体如下：将喷丸处理后的L形鳍片2放置于热管散热器导热基板3的待焊区域，调节蓝光激光器的功率，在L形鳍片2的焊接面21始端和末端进行激光点焊预固定。
步骤S2中中激光斑束直径为40μm -60μm，激光功率为150W-250W，激光波长为430nm -450nm。
步骤S2中点焊时间1s-3s，保护气为Ar气，保护气流量为14L/min-16L/min。L形鳍片2和导热基板3的材料为铜或铜合金，L形鳍片2和导热基板3厚度均为0.2mm-0.4mm。
步骤S1中喷丸处理时，采用粒径为0.05mm-0.1mm的不规则形状的陶瓷弹丸、铸钢弹丸或铸钢弹丸（铸钢弹丸或铸钢弹丸均粒径0.05mm-0.1mm的不规则形状），喷丸压力为0.1MPa-0.2MPa，喷丸覆盖率大于等于100%。喷丸处理后，L形鳍片2的表面粗糙度在Ra10-Ra20之间。
步骤S3中激光振镜的设定速度为5m/min-6m/min。
参照图2和图3，步骤S3中激光振镜1扫描方式为圆形或无穷形。图2为激光振镜1扫描方式为圆形的焊接路径。图3为激光振镜1扫描方式为无穷形的焊接路径。
步骤S3中激光斑束直径为40μm-60μm，激光功率为400W-600 W，激光波长为430 nm-450nm，扫描频率为20 Hz -40 Hz，保护气为Ar气，保护气流量为16L/min-20 L/min。
目前热管散热器的导热基板3和L形鳍片2多通过锡膏回流焊来实现连接。在锡膏回流焊中，锡膏到达熔点液化后，依靠装夹压力和毛细作用对焊接区域进行浸润，而锡膏浸润能力有限，不可避免的会出现未浸润区域，且预装夹过程中焊接区域存在的气体也无法完全排除，而留下气孔，在大面积锡膏回流焊中，上述问题则更为严重。针对以上难题，本发明提出了采用扫描振镜激光工艺来实现热管散热器鳍片和导热基板3的焊接，并焊前喷丸预处理方法来提高鳍片对激光的吸收率和采用特定波长和特定扫描方式的振镜激光来进行实现鳍片的高质量焊接。
在一定温度下，金属材料对特定波长激光的固有吸收率是恒定的，如铜及其合金对长波段激光的固有吸收率低于10%，对短波段激光的固有吸收率则可达50%，因而本发明蓝光激光作为焊接热源。此外，由于材料表面并非绝对光滑，激光在材料表面会出现一定的漫反射，而使得其对激光的实际吸收率高于固有吸收率。因此，通过焊前喷丸处理，来增加焊接面的粗糙度，通过对喷丸形状和尺寸的特定限制，使得最终得到的鳍片表面轮廓线的波谷夹角尽可能小，以增加激光的反射次数，从而提高鳍片对激光的实际吸收率，降低焊接时的激光功率，减小耗能和变形。
作为本发明的关键设计要点，扫描激光是稳定焊接熔池、避免气孔缺陷的重要方法。在激光焊接铜及其合金时，易出现小孔型气孔和氢气孔。小孔型气孔是由于激光匙孔内部金属蒸汽向外逸出时形成的涡流将保护气卷入内部而造成的，而本发明采用的圆形或无穷形扫描激光可扩大并稳定匙孔，使其内部气体及时逸出。同时，圆形或无穷形扫描激光熔池内部会形成向上的涡流，从而促进氢气孔的逸出，二者共同作用，使得焊缝基本无气孔缺陷。
以下结合两个具体实施例以对本发明进行具体说明。
实施例一
如图4所示，热管散热器的导热基板3长120mm、宽90mm、厚4mm；L形鳍片2的焊接面21宽4mm，在导热基板3上共需要焊接30片L形鳍片2。
利用本发明焊接方法时，具体包括以下步骤：
第一步：将待焊L形鳍片2的焊接面21进行喷丸处理，采用粒径为0.05mm的不规则形状陶瓷弹丸，喷丸压力为0.1MPa，获得的鳍片表面粗糙度在Ra10-Ra20之间；
第二步：将喷丸处理后的L形鳍片2放置于热管散热器导热基板3的待焊区域，调节蓝光激光器的功率为200W，激光斑束直径为50μm，激光波长为450nm，在L形鳍片2的焊接面21始端和末端进行激光点焊预固定；
第三步：基于L形鳍片2的焊接面21生成焊接路径，将激光振镜1安装在焊接机器人臂上，设置扫描激光振镜1的扫描方式为圆形扫描，激光斑束直径为50μm，扫描频率为30Hz，振幅1.5mm，激光功率为500W，激光波长为450nm，焊接速度为6m/min，保护气为99.99%Ar，保护气流量为18L/min。自L形鳍片2的焊接面21的始端开始焊接，至末端结束焊接，在焊接过程中L形鳍片2位置保持固定，激光振镜1沿运动路径按设定速度移动；
第四步：重复步骤三直至完成所有L形鳍片2的焊接。
实施例二
如图5所示，热管散热器导热基板3长90mm、宽100mm、厚4mm；L形鳍片2的焊接面21宽4mm，在导热基板3上共需要焊接30片L形鳍片2。
利用本发明焊接方法时，具体包括以下步骤：
第一步：将待焊L形鳍片2的焊接面21进行喷丸处理，采用粒径为0.1mm的不规则形状铸钢弹丸，喷丸压力为0.15MPa，获得的鳍片表面粗糙度在Ra10-Ra20之间；
第二步：将喷丸处理后的L形鳍片2放置于热管散热器导热基板3的待焊区域，调节蓝光激光器的功率为150W，激光斑束直径为40μm，激光波长为430nm，在L形鳍片2的焊接面21始端和末端进行激光点焊预固定；
第三步：基于L形鳍片2的焊接面21生成焊接路径，将扫描激光振镜1安装在焊接机器人臂上，设置激光振镜1的扫描方式为无穷形扫描，激光斑束直径为40μm，扫描频率为40Hz，振幅1.2mm，激光功率为400W，激光波长为430nm，焊接速度为5m/min，保护气为99.99%Ar，保护气流量为20L/min。自L形鳍片2的焊接面21的始端开始焊接，至末端结束焊接，在焊接过程中L形鳍片2位置保持固定，激光振镜1沿运动路径按设定速度移动；
第四步：重复步骤三直至完成所有L形鳍片2的焊接。
本发明提出的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，具有以下有益效果：
1.本发明选用的蓝光激光器产生的激光对铜及其合金具有显著高于红外激光的吸收率，同时利用喷丸处理提高了铜及其合金鳍片焊接面的表面粗糙度，增加了激光在焊接面上的漫反射，进一步提高了鳍片对激光的吸收率，能够实现在较小功率下对鳍片进行焊接，减小对鳍片的热输入，降低焊缝变形；
2.本发明利用激光振镜1进行扫描焊接，圆形或无穷形扫描激光能够稳定焊接过程中形成的匙孔，并使熔池产生振荡，延长熔池中气孔的逸出时间，降低焊缝气孔率；
3.本发明采用的扫描振镜激光焊接工艺，在进行鳍片和导热基板3的焊接时，无需在焊接面涂加锡膏，避免了目前回流焊中易出现的浸润不足、气孔等缺陷，同时鳍片与导热基板3的直接连接相较于锡膏连接也具有更高的平均导热系数，即具有更好的散热性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待焊L形鳍片的焊接面进行喷丸处理；
S2.将喷丸处理后的L形鳍片与热管散热器导热基板进行点焊预固定；
S3.基于L形鳍片的焊接面生成焊接路径，设置激光振镜扫描方式，调节蓝光激光器功率，自L形鳍片焊接面的一侧开始焊接至另一侧结束焊接，在焊接过程中L形鳍片位置保持固定，激光振镜沿运动路径按设定速度移动以完成当前L形鳍片的焊接。
2.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S2具体如下：将喷丸处理后的L形鳍片放置于热管散热器导热基板的待焊区域，调节蓝光激光器的功率，在L形鳍片的焊接面始端和末端进行激光点焊预固定。
3.如权利要求2所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S2中激光斑束直径为40μm -60μm，激光功率为150W-250W，激光波长为430 nm -450nm。
4.如权利要求2所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S2中点焊时间1s-3s，保护气为Ar气，保护气流量为14L/min-16L/min。
5.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，L形鳍片和导热基板的材料为铜或铜合金，L形鳍片和导热基板厚度均为0.2mm-0.4mm。
6.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S1中喷丸处理时，采用粒径为0.05mm-0.1mm的不规则形状的陶瓷弹丸、铸钢弹丸或铸钢弹丸，喷丸压力为0.1MPa-0.2MPa，喷丸覆盖率大于等于100%。
7.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，喷丸处理后，L形鳍片表面粗糙度在Ra10-Ra20之间。
8.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S3中激光振镜扫描方式为圆形或无穷形。
9.如权利要求1所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S3中激光振镜的设定速度为5m/min-6m/min。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的基于扫描振镜激光焊接热管散热器鳍片的焊接方法，其特征在于，步骤S3中激光斑束直径为40μm-60μm，激光功率为400W-600 W，激光波长为430 nm -450nm，扫描频率为20Hz-40 Hz，保护气为Ar气，保护气流量为16L/min-20 L/min。
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