CN114054957A - 一种异种金属薄膜的激光焊接方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异种金属薄膜的激光焊接方法及系统，根据焊接需求设置焊接形状、面积，并确定激光焊接路线；将待焊接的金属薄膜上下叠放，其中熔点高的金属薄膜位于上方，熔点低的金属薄膜位于下方；熔点高的金属薄膜的厚度小于等于100μm；设置激光参数，使得激光按照焊接路线照射在所述熔点高的金属薄膜上并扫描；采用短脉宽、高频率的激光，同时获得的激光峰值能量大小使得熔点高的金属薄膜能够瞬时加热熔化而不被击穿，激光余热向下传导使得熔点低的金属薄膜熔化，两金属薄膜融化部分形成熔池，从而完成焊接。本发明能有效减小上层金属薄膜受热弯曲，最终实现异种金属薄膜的焊接。
Description
技术领域
本发明属于金属薄膜激光焊接技术领域，具体涉及一种异种金属薄膜的激光焊接方法及系统。
背景技术
在工业领域中，铝与铜都是良好的导电材料。由于铝比铜的密度小(铝的密度仅为铜的1/3)，价格便宜、资源丰富，因此在很多情况下可以代替铜使用，这样不仅能降低成本、减轻产品质量，还能合理利用资源。但铝的电阻率比铜大60％，因此铝的导电性比铜差，且其强度较低，因此以铝代铜又有一定的缺点。为了充分利用铜与铝各自的优异性能，通常需要将铜与铝连接在一起，制成铜与铝的复合结构，以便在海洋、石油、化工、电子等领域得到广泛的应用。在实际生产中广泛采用钎焊、扩散焊、压力焊等实现它们的连接。
1、传统上常用挂锡和熔锡的方法焊接铜铝，这种方法成型不好，没有很好的强度，由于锡的熔点低又不能焊接在高温工作下的工件，所以此种工艺只适合低温条件下的小工件上使用(只适用于多股铜线和小规格铝漆包线的焊接)，很难应用到其它产品的生产中。
2、用熔化焊、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊、电子束焊、超声波焊等焊接方法焊接铜铝，焊接出来的接头脆性大,易产生裂纹且焊缝易产生气孔，焊接起来的工件难免出现断裂，出现断裂后就可能使导电体断路、使管道泄露，所以往往达不到实际生产中要求的效果。
3、用钎焊(通常用火焰钎焊、炉中钎焊和高频钎焊等)把铜和铝焊接在一起，通过钎焊工艺把钎料作为中间介质把铜和铝焊接在一起(实际上是发生冶金反应，钎料通过毛细作用渗入铜材和铝材分子结构中)，焊接后接头成型较好，抗拉抗剪性能及导电性耐腐蚀性好，是目前常用的铜铝焊接方法，市场上能用于铜铝焊接的钎料有铜铝焊丝、铜铝焊膏等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种异种金属薄膜的激光焊接方法及系统，能够很好的将异种金属焊接在一起。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种异种金属薄膜的激光焊接方法，本方法包括以下步骤：
S1、根据焊接需求设置焊接形状、面积，并确定激光焊接路线；
S2、将待焊接的金属薄膜上下叠放，其中熔点高的金属薄膜位于上方，熔点低的金属薄膜位于下方；所述熔点高的金属薄膜的厚度小于等于100μm；
S3、设置激光参数，使得激光按照焊接路线照射在所述熔点高的金属薄膜上并扫描；其中，采用短脉宽、高频率的激光，同时获得的激光峰值能量大小使得所述熔点高的金属薄膜能够瞬时加热熔化而不被击穿，激光余热向下传导使得熔点低的金属薄膜熔化，两金属薄膜融化部分形成熔池，从而完成焊接。
按上述方法，所述的激光焊接路线包括至少一个焊点，每个焊点的激光焊接线路为从内到外或者从外到内的、不间断无重合点的螺旋线型，螺旋线型的最大直径为焊点直径；焊点的最小直径范围为0.5-1.5mm，相邻螺旋线之间的间距为0.1-0.5mm；焊点之间直接跳转焊接。
按上述方法，所述的S2中，待焊接的金属薄膜处于负压状态，使得叠放的金属薄膜之间贴合。
按上述方法，所述的S3中激光参数包括脉冲宽度、频率和扫描速度；其中，所述的熔点高的金属薄膜为铜膜，对应激光的脉冲宽度为2-20ns，频率为500-1000KHz，扫描速度为30-100mm/s。
按上述方法，采用从下方吸附的方式，同时所述的熔点高的金属薄膜面积大于熔点低的金属薄膜，使得负压状态下金属薄膜之间贴合更为紧密。
按上述方法，本方法还包括S4、按照焊接要求，将多余的熔点高的金属薄膜进行激光裁切，激光裁切时采用同一激光，调整激光参数即可。
一种用于实现所述的异种金属薄膜的激光焊接方法的激光焊接系统，本系统包括用于承载所述金属薄膜的工作台，满足激光参数要求的激光器，带着激光器按照激光焊接路线扫描的扫描机构，以及用于按照所述的激光焊接方法控制激光器开闭和扫描机构运动的控制器。
按上述系统，所述的工作台带有负压吸附机构，使得待焊接的金属薄膜处于负压状态而更好的贴合。
按上述系统，所述的激光器为红外脉冲mopa激光器。
按上述系统，所述的控制器还用于调节激光器的激光参数，并控制扫描机构使得激光器沿着切割路线扫描，从而对多余的金属薄膜进行裁切。
按上述系统，本系统还包括用于定位的CCD相机，所述控制器还用于根据定位确定加工路线，以保证激光焊接路线的准确性。
本发明的有益效果为：
1、本发明将熔点高的金属薄膜设置在上，熔点低的金属薄膜设置在下，调节激光器的脉宽和频率，使得激光的峰值能量能够让上层金属熔化，余热使得下层金属熔化，形成熔池从而焊接；采用短脉宽、高频率的激光，一方面可以保证在光斑重叠度足够大的情况下，提升输出激光的峰值能量，进而更加容易形成熔池提升焊接工艺效果，另一方面由于上层金属薄膜较薄，短脉宽峰值能量大，作用时间短，能有效减小上层金属薄膜受热弯曲，最终实现厚度小于等于100μm的异种金属薄膜的焊接。
2、采用螺旋线型的路径进行焊接，一方面可以减少由于激光器首脉冲或者激光开始/结束延时带来的首尾部过焊和虚焊现象的个数，另一方面，可以保证焊接的连续性。
3、因上层金属薄膜较薄，而想要形成熔池需要很高的温度，在焊接过程中，上层金属薄膜很容易受热弯曲，从而形成虚焊或者过焊情况，因此让待焊接的金属薄膜处于负压状态，采用下方真空吸附，可以有效减轻焊接过程中的上层金属薄膜受热弯曲情况，避免形成虚焊或过焊。
附图说明
图1为实施例一的焊接图形。
图2为实施例一的单焊点的螺旋焊接路线。
图3为实施例一的整体焊接路线。
图4为实施例二的焊接图形。
图5为实施例二的焊接图形和焊点间的焊接路线。
图6为实施例三的焊点设置。
图7为实施例三的焊接效果照片。
图中：1-铜焊点，2-铝膜。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种异种金属薄膜的激光焊接方法，本方法包括以下步骤：
S1、根据焊接需求设置焊接形状、面积，并确定激光焊接路线。所述的激光焊接路线包括至少一个焊点，每个焊点的激光焊接线路为从内到外或者从外到内的、不间断无重合点的螺旋线型，螺旋线型的最大直径为焊点直径；焊点的最小直径范围为0.5-1.5mm，相邻螺旋线之间的间距为0.1-0.5mm；焊点之间直接跳转焊接。
S2、将待焊接的金属薄膜上下叠放，其中熔点高的金属薄膜位于上方，熔点低的金属薄膜位于下方；所述熔点高的金属薄膜的厚度小于等于100μm。
S3、设置激光参数，包括脉冲宽度、频率和扫描速度，使得激光按照焊接路线照射在所述熔点高的金属薄膜上并扫描；其中，采用短脉宽、高频率的激光，同时获得的激光峰值能量大小使得所述熔点高的金属薄膜能够瞬时加热熔化而不被击穿，激光余热向下传导使得熔点低的金属薄膜熔化，两金属薄膜融化部分形成熔池，从而完成焊接。激光的脉冲宽度和频率可根据熔点高的金属薄膜的熔点进行设置，例如所述的熔点高的金属薄膜为铜膜，对应激光的脉冲宽度为2-20ns，频率为500-1000KHz，扫描速度为30-100mm/s。
进一步的，为了让上下两层的金属薄膜能够更好的贴合，便于余热向下传导形成熔池，所述的S2中，将待焊接的金属薄膜处于负压状态，即采用下方真空吸附的方式。
所述的熔点高的金属薄膜面积大于熔点低的金属薄膜，这样设置，从下方吸附时，提供的负压能够使得两个金属薄膜贴合更为紧密。
然后可选的，本方法还可包括S4、按照焊接要求，将多余的熔点高的金属薄膜进行激光裁切，激光裁切时可采用同一激光，调整激光参数即可，从而做到焊接、裁切连续进行，无需切换设备。当然，此处也可以采用其它方式裁切。
本发明还提供一种用于实现所述的异种金属薄膜的激光焊接方法的激光焊接系统，本系统包括用于承载所述金属薄膜的工作台，满足激光参数要求的激光器，带着激光器按照激光焊接路线扫描的扫描机构，以及用于按照所述的激光焊接方法控制激光器开闭和扫描机构运动的控制器。
优选的，所述的工作台带有负压吸附机构，使得待焊接的金属薄膜处于负压状态而更好的贴合。同时，位于上层的金属薄膜面积大于位于下层的金属薄膜，当从下方吸附时，能够更好的实现贴合效果。
进一步优选的，所述的激光器为红外脉冲mopa激光器，满足高频率短脉宽的要求。
所述的控制器还用于调节激光器的激光参数，并控制扫描机构使得激光器沿着切割路线扫描，从而对多余的金属薄膜进行裁切。
本系统还包括用于定位的CCD相机，所述控制器还用于根据定位确定加工路线，以保证激光焊接路线的准确性。
下面以铜膜(熔点高的金属薄膜)和铝膜(熔点低的金属薄膜)为例，对本发明做进一步说明。
实施例一：
在铝膜2上，和铜膜形成多个间隔设置的圆形焊点。其中，铜膜和铝膜2的厚度分别为20μm和80μm。铝膜的长度为250mm，宽度为200mm，需要在其上形成多个阵列设置的直径为4mm的铜焊点1。
其步骤为：
S1、根据铜膜和铝膜的焊接形状和面积，设置激光焊接路线。
一个焊点的焊接路线为，从内至外或者从外至内的螺旋焊接路线，如图2所示，其最小直径在0.5-1.5mm之间，最大直径为4mm，相邻螺旋线之间的间距为0.1-0.5mm。
一个焊点焊接完成后，跳转至其他焊点进行焊接，如图3所示，本实施例中，跳转到相邻的焊点进行依次焊接。
S2、将待焊接的铜膜和铝膜叠放。
选择铜膜的面积大于铝膜，并将二者由下至上依次放置在负压吸附台上，开启负压，使铜膜和铝膜能够更好的贴合，接触面平整。
S3、设置激光参数，按照焊接路线由内至外或者由外至内的扫描路径照射在铜膜上并扫描，进行焊接。
具体的，激光扫描速度设置为30-100mm/s，激光重复频率设置为500-1000KHz，激光脉冲宽度设置为2-20ns，激光功率设置为总功率的20-50％。
具体的，激光焊接选用的激光器为短脉宽，高频率的脉冲激光器；更为优选的，焊接为红外脉冲mopa激光器。
S4按照焊接要求，将多余的铜膜进行裁切。
具体的，参见图1铜膜和铝膜形成多个焊点，将焊点外的铜膜进行切割。具体的，使用激光器沿焊点外缘扫描，将铜膜切断。切断时，解除负压，降低余热传导性。
激光器还是前面的MOPA激光器，参数没有特别要求。
最后，将多余的铜膜揭除即可。
实施例二：
本实施例的原理、方法和结构与实施例一基本相同，其区别在于，如图4和图5所示，所述的铜焊点1为边长为4mm的方形焊点。单个焊点的焊接路线，为方形螺旋线。
实施例三：
本实施例的原理、方法和结构与实施例一基本相同，其区别在于，如图6所示，将整个铜膜焊接在铝膜上。其焊点设置为阵列设置的圆形焊点。焊点大小为4mm，相邻焊点之间的间距为27mm，最外的焊点边缘距离铜膜的边缘为13.875mm。
S4将多余的铜膜进行裁切时，按照铝膜外缘裁切即可。效果图如图7所示。
实施例四：
本实施例的原理、方法和结构与实施例一基本相同，其区别在于，所选焊接参数速度为30mm/s、频率为500KHz、脉宽为20ns。
实施例五：
本实施例的原理、方法和结构与实施例一基本相同，其区别在于，所选焊接参数速度为100mm/s、频率为1000KHz、脉宽为2ns。
实施例六：
本实施例的原理、方法和结构与实施例一基本相同，其区别在于，所选焊接对象为铝和不锈钢的焊接。
对比例1
本对比例与实施例一类似，区别在于其焊接图形不是螺旋形，是同心圆。最小同心圆的直径为0.5-1.5mm之间，最大直径为4mm，相邻同心圆之间的间距为0.1-0.5mm。
对比例2
本对比例与实施例一类似，区别在于负压不开启，铜膜和铝膜压合。采用从下到上依次为金属平面-铝膜-铜膜-焊点镂空橡胶垫-焊点镂空金属板的压合方式。
对比例3
本对比例与实施例一类似，区别在于其为激光器为连续激光器。
结果对比
参见表1和图1，图2，图3，分别为采用实施例1和对比例1、2、3进行的焊接性能效果。
相比传统的挂锡和熔锡的方法焊接铜铝，激光焊接不受环境温度限制；相比用熔化焊、摩擦焊、冷压焊、爆炸焊、电子束焊、超声波焊等焊接方法焊接铜铝，属于无接触焊接，外观好，无接触式损伤；相比传统的钎焊方法焊接铜铝，省去了中间钎料的媒介，简单干净无污染；采用激光焊接，软件可控性更高，焊接精度更高，自动化程度高。
本发明将熔点高的金属薄膜设置在上，熔点低的金属薄膜设置在下，调节激光器的脉宽和频率，使得激光的峰值能量能够让上层金属熔化，余热使得下层金属熔化，形成熔池从而焊接；采用短脉宽、高频率的激光，一方面可以保证在光斑重叠度足够大的情况下，提升输出激光的峰值能量，进而更加容易形成熔池提升焊接工艺效果，另一方面由于上层金属薄膜较薄，短脉宽峰值能量大，作用时间短，能有效减小上层金属薄膜受热弯曲，最终实现厚度小于等于100μm的异种金属薄膜的焊接。
本发明采用螺旋形的路径进行焊接，一方面可以减少由于激光器首脉冲或者激光开始/结束延时带来的首尾部过焊和虚焊现象的个数，另一方面，可以保证焊接的连续性；采用真空吸附(因铜膜较薄，而想要形成熔池需要很高的温度，在焊接过程中，铜膜很容易受热弯曲，从而形成虚焊或者过焊情况，采用常用上压方式不能很好地解决弯曲程度，采用下方真空吸附，可以有效减轻焊接过程中的铜膜受热弯曲情况)。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种异种金属薄膜的激光焊接方法，其特征在于：本方法包括：
根据焊接需求设置焊接形状、面积，并确定激光焊接路线；
将待焊接的金属薄膜上下叠放，其中熔点高的金属薄膜位于上方，熔点低的金属薄膜位于下方；所述熔点高的金属薄膜的厚度小于等于100μm；
设置激光参数，使得激光按照焊接路线照射在所述熔点高的金属薄膜上并扫描；其中，采用短脉宽、高频率的激光，同时获得的激光峰值能量大小使得所述熔点高的金属薄膜能够瞬时加热熔化而不被击穿，激光余热向下传导使得熔点低的金属薄膜熔化，两金属薄膜融化部分形成熔池，从而完成焊接。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述的激光焊接路线包括至少一个焊点，每个焊点的激光焊接线路为从内到外或者从外到内的、不间断无重合点的螺旋线型，螺旋线型的最大直径为焊点直径；焊点的最小直径范围为0.5-1.5mm，相邻螺旋线之间的间距为0.1-0.5mm；焊点之间直接跳转焊接。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述的S2中，待焊接的金属薄膜处于负压状态，使得叠放的金属薄膜之间贴合。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于：所述的S3中激光参数包括脉冲宽度、频率和扫描速度；其中，所述的熔点高的金属薄膜为铜膜，对应激光的脉冲宽度为2-20ns，频率为500-1000KHz，扫描速度为30-100mm/s。
5.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于：采用从下方吸附的方式，同时所述的熔点高的金属薄膜面积大于熔点低的金属薄膜，使得负压状态下金属薄膜之间贴合更为紧密。
6.根据权利要求5所述的激光焊接方法，其特征在于：本方法还包括S4、按照焊接要求，将多余的熔点高的金属薄膜进行激光裁切，激光裁切时采用同一激光，调整激光参数即可。
7.一种用于实现权利要求1所述的异种金属薄膜的激光焊接方法的激光焊接系统，其特征在于：本系统包括用于承载所述金属薄膜的工作台，满足激光参数要求的激光器，带着激光器按照激光焊接路线扫描的扫描机构，以及用于按照所述的激光焊接方法控制激光器开闭和扫描机构运动的控制器。
8.根据权利要求7所述的激光焊接系统，其特征在于：所述的工作台带有负压吸附机构，使得待焊接的金属薄膜处于负压状态而更好的贴合。
9.根据权利要求7所述的激光焊接系统，其特征在于：所述的激光器为红外脉冲mopa激光器。
10.根据权利要求7所述的激光焊接系统，其特征在于：所述的控制器还用于调节激光器的激光参数，并控制扫描机构使得激光器沿着切割路线扫描，从而对多余的金属薄膜进行裁切。
11.根据权利要求7所述的激光焊接系统，其特征在于：本系统还包括用于定位的CCD相机，所述控制器还用于根据定位确定加工路线，以保证激光焊接路线的准确性。
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2021
- 2021-07-06 CN CN202110762821.9A patent/CN114054957A/zh active Pending
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