CN114247952A - 一种激光晶体焊接治具及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光晶体领域，具体地说是一种激光晶体焊接治具及焊接方法，包括焊接座、焊接罩、压柱和压块伞，所述焊接座上设有凹槽，且所述凹槽内由下到上依次设有热沉、焊料和激光晶体，焊接罩罩于所述焊接座上，且所述压柱下端穿过所述焊接罩后与所述激光晶体相抵，所述压柱上端设有压块伞，所述焊接罩一侧设有观察窗，所述焊接座上设有盲孔。本发明在焊料熔化后利用激光晶体、压柱和压块伞的重力作用下增强焊料渗透，并且挤压出残余的焊料减小热阻，从而增大热传递系数，实现对激光晶体高效换热。
Description
技术领域
本发明涉及激光晶体领域，具体地说是一种激光晶体焊接治具及焊接方法。
背景技术
固体激光具有方向性好、能量集中等诸多优势，但这种激光的发展一直受到热管理问题的困扰。随着泵浦激光晶体功率密度和总能量的提高，在激光晶体中由于量子亏损、碰撞淬灭等无辐射跃迁会产生大量废热，需要及时将这部分能量排出到晶体外，现有技术一般是采用主动换热的方式将这部分能量排出，而激光晶体热量耦合连接是主动换热的重要环节，但如何减小焊接层的热阻，增大热传递系数，进而实现对激光晶体高效换热是需要考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光晶体焊接治具及焊接方法，能够减小焊接层的热阻，增大热传递系数，进而实现对激光晶体高效换热。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种激光晶体焊接治具，包括焊接座、焊接罩、压柱和压块伞，所述焊接座上设有凹槽，且所述凹槽内由下到上依次设有热沉、焊料和激光晶体，焊接罩罩于所述焊接座上，且所述压柱下端穿过所述焊接罩后与所述激光晶体相抵，所述压柱上端设有压块伞，所述焊接罩一侧设有观察窗，所述焊接座上设有容置热偶的盲孔。
所述焊接罩包括四周的侧罩壁和上端的顶罩壁，且所述侧罩壁上开设有观察窗，所述顶罩壁上设有供所述压柱穿过的通孔。
所述焊料为片状。
所述压块伞中间设有定位槽套装于所述压柱上端。
一种根据所述激光晶体焊接治具的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：先将热沉放入焊接座的凹槽中，再将焊料和激光晶体依次放入所述凹槽中，然后将所述焊接座放于焊接炉中；
步骤二：将焊接罩放入焊接炉中并罩于焊接座上，再将压柱送入焊接炉中并穿过焊接罩压在激光晶体上，然后将压块伞放置于压柱上端；
步骤三：由焊接罩的观察窗放入热偶并插在焊接座的盲孔中；
步骤四：焊接炉关闭并加热，当焊接炉温度达到设定温度后，焊料熔化并在所述激光晶体、压柱和压块伞的重力作用下增强焊料渗透且挤压出残余的焊料。
所述焊料先制备成厚度为3～50μm的预制片，焊接时将焊料预制片放置在激光晶体和热沉之间。
所述焊料为低温焊料。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明在焊料熔化后利用激光晶体、压柱和压块伞的重力作用增强焊料渗透，并且挤压出残余的焊料减小热阻，从而增大热传递系数，实现对激光晶体高效换热。
2、本发明整体结构紧凑，且方便安装。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为焊接座，101为凹槽，2为热沉，3为焊料，4为激光晶体，5为焊接罩，501为侧罩壁，502为顶罩壁，503为观察窗，6为压柱，7为压块伞，701为定位槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明包括焊接座1、焊接罩5和压柱6，所述焊接座1上设有凹槽101，且所述凹槽101内由下到上依次设有热沉2、焊料3和激光晶体4，焊接罩5罩于所述焊接座1上，且所述压柱6下端穿过所述焊接罩5后与所述激光晶体4相抵，在所述压柱6上端设有压块伞7。焊接时本发明放于焊接炉中加热，当焊接炉内温度达到设定温度后，焊料3熔化并在所述激光晶体4、压柱6和压块伞7的重力作用下增强焊料3渗透，并且挤压出残余的焊料3减小热阻。所述焊接炉为本领域公知技术。
所述焊接座1材质为石墨或紫铜材料，其形状为圆形体或长方体，另外所述焊接座1上表面设有1～5mm深的盲孔用于插入热偶实现测温。所述热偶为本领域公知技术且为市购产品。
如图1所示，所述焊接罩5为钟罩结构，其包括四周的侧罩壁501和上端的顶罩壁502，且一侧侧罩壁501上开设有观察窗503，所述顶罩壁502上设有供所述压柱6穿过的通孔。所述焊接罩5的材质为铝、铜、不锈钢或石墨。
本发明采用低温焊接工艺以减小焊接中的应力残留，所述焊料3可采用In、SnAu、SnAgCu等低温焊料，且如图1所示，焊料3先制备成预制片，其厚度为3～50μm，焊接时将焊料3预制片放置在激光晶体4和热沉2之间。
如图1所示，所述压柱6为圆柱体，其直径在2～20mm之间，长度在20～150mm之间，且所述压柱6与激光晶体4相抵一端的直径和形状与所述激光晶体4相适宜。所述压柱6材质为不锈钢、铝、铜等金属材质。
如图1所示，所述压块伞7中间设有定位槽701套装于所述压柱6上端，所述压块伞7为圆柱体，其材质采用不锈钢、铝、铜等金属材质。
本发明的工作原理为：
本发明焊接时包括如下步骤：
步骤一：先将热沉2放入焊接座1的凹槽101中，再将焊料3和激光晶体4依次放入所述凹槽101中，然后将承装有热沉2、焊料3、激光晶体4的焊接座1放入焊接炉中；
步骤二：将焊接罩5放入焊接炉中并罩于焊接座1上，再将压柱6送入焊接炉中并穿过焊接罩5压在激光晶体4上，然后将压块伞7放置于压柱6上端；
步骤三：由焊接罩5的观察窗503放入热偶并插在焊接座1的盲孔中；
步骤四：焊接炉关闭并启动加热，当焊接炉温度达到设定温度后，焊料3熔化并在所述激光晶体4、压柱6和压块伞7的重力作用下增强焊料3渗透且挤压出残余的焊料3，这既增强了焊料3连接强度，也减小了焊料3层，减小热阻。
所述焊料3的预制片层不宜过薄，焊料3层过薄，其弛豫能力减小，由于应力作用，焊接面易开裂，而所述压柱6和压块伞7的重量要通过实验进行选取。
下面列举一个应用例进一步说明本发明应用。
应用例1
本应用例将2mm厚、20×20mm激光晶体4焊接到20×20×3mm紫铜材质的热沉2上，本应用例采用石墨材质的焊接座1，且所述焊接座1尺寸为40×40×6mm的长方体，中间留有20×20×4的方孔形成所述凹槽101用于放置被焊接件。
本应用例的焊接罩5采用不锈钢材料，其为50×50×25mm长方体，在所述焊接罩5的顶罩壁502加工出直径20mm通孔供压柱6穿过，在所述焊接罩5一侧的侧罩壁501加工出50×10mm观察窗，压柱6为不锈钢材料，压柱6的直径为20mm，长度为50mm，压块伞7为不锈钢材料，其尺寸为φ50x10mm，并且压块伞7中心留有直径20mm，深为6mm的定位槽701。
焊接时先将紫铜热沉2放入焊接座1的凹槽101中，然后向所述凹槽101中依次放上20×20mm且为30微米厚的AuSn焊料3预制片以及激光晶体4，再将承装有焊接件的焊接座1整体放入焊接炉中，然后将焊接罩5送入焊接炉中并罩在焊接座1上，再将压柱6穿过焊接罩5的顶罩壁502后压在激光晶体4上，然后放入压块伞7扣在压柱6上端，最后由焊接罩5的观察窗503放入热偶插在焊接座1上预留的盲孔内用于测量焊接温度，然后焊接炉可以加热进行焊接操作。
另外目前导热系数最好的材料为金刚石材料，但金刚石如何与激光晶体4连接成为一个关键问题，本发明则可以将金刚石材质的热沉2与激光晶体4连接，这样可以进一步提高激光向外传热的耦合系数。
Claims (7)
1.一种激光晶体焊接治具，其特征在于：包括焊接座(1)、焊接罩(5)、压柱(6)和压块伞(7)，所述焊接座(1)上设有凹槽(101)，且所述凹槽(101)内由下到上依次设有热沉(2)、焊料(3)和激光晶体(4)，焊接罩(5)罩于所述焊接座(1)上，且所述压柱(6)下端穿过所述焊接罩(5)后与所述激光晶体(4)相抵，所述压柱(6)上端设有压块伞(7)，所述焊接罩(5)一侧设有观察窗(503)，所述焊接座(1)上设有容置热偶的盲孔。
2.根据权利要求1所述的激光晶体焊接治具，其特征在于：所述焊接罩(5)包括四周的侧罩壁(501)和上端的顶罩壁(502)，且所述侧罩壁(501)上开设有观察窗(503)，所述顶罩壁(502)上设有供所述压柱(6)穿过的通孔。
3.根据权利要求1所述的激光晶体焊接治具，其特征在于：所述焊料(3)为片状。
4.根据权利要求1所述的激光晶体焊接治具，其特征在于：所述压块伞(7)中间设有定位槽(701)套装于所述压柱(6)上端。
5.一种根据权利要求1所述的激光晶体焊接治具的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：先将热沉(2)放入焊接座(1)的凹槽(101)中，再将焊料(3)和激光晶体(4)依次放入所述凹槽(101)中，然后将所述焊接座(1)放于焊接炉中；
步骤二：将焊接罩(5)放入焊接炉中并罩于焊接座(1)上，再将压柱(6)送入焊接炉中并穿过焊接罩(5)压在激光晶体(4)上，然后将压块伞(7)放置于压柱(6)上端；
步骤三：由焊接罩(5)的观察窗(503)放入热偶并插在焊接座(1)的盲孔中；
步骤四：焊接炉关闭并加热，当焊接炉温度达到设定温度后，焊料(3)熔化并在所述激光晶体(4)、压柱(6)和压块伞(7)的重力作用下增强焊料(3)渗透且挤压出残余的焊料(3)。
6.根据权利要求5所述的激光晶体焊接治具的焊接方法，其特征在于：所述焊料(3)先制备成厚度为3～50μm的预制片，焊接时将焊料(3)预制片放置在激光晶体(4)和热沉(2)之间。
7.根据权利要求5所述的激光晶体焊接治具的焊接方法，其特征在于：所述焊料(3)为低温焊料。
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