CN114289869B - 一种激光叠焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光叠焊方法，用于笔记本电脑卡扣和外壳的无背痕焊接，包括以下步骤：S1，将笔记本电脑的不锈钢卡扣和铝合金外壳按照设计的位置叠放，并通过治具将卡扣和外壳压紧；S2，将所述治具、不锈钢卡扣和铝合金外壳一起固定在焊接平台上；S3，调整振镜式激光焊接设备与待焊产品之间的相对位置，调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得所述振镜式激光焊接设备发出的激光束聚焦至卡扣与外壳的接触面上；S4，控制所述振镜式激光焊接设备按照预设的焊接图形对待焊产品进行激光扫描焊接。本发明的焊接方法可同时满足强度、无变色无背痕的外观要求以及焊接区域的平面度要求，焊接效果良好且过程稳定，易于自动化生产，实现永久性连接。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种激光叠焊方法，用于笔记本电脑卡扣和外壳的无背痕焊接。
背景技术
目前，以笔记本电脑为代表的3C电子产品日益轻薄化，市售主流的金属外壳超薄本大多采用表面经过阳极处理后的铝合金来制造，铝合金拥有出色的强度、耐刮度并且质量较轻，所以理所当然成为金属笔记本最普遍的外壳材质选择。
针对于笔记本电脑的不锈钢装配卡扣和铝合金外壳连接，为了保证连接强度、外壳平面度以及外壳背部无变色及无焊印的光亮外观，胶粘方式得到大批量使用。众所周知，胶粘连接技术存在溢胶、固化时间长、易老化、有毒气体挥发等工艺缺陷，相比于胶粘技术，激光焊接具有效率高、易于自动化生产、可实现永久性连接等优点，是工业智能制造中最具有潜力的制造方式。
现有技术中，由于轻薄本铝合金外壳厚度较薄，通常是0.5-1.0mm，且经过阳极氧化及抛光等表面处理工序。而笔记本电脑内部的不锈钢装配卡扣厚度通常是0.05-0.4mm，在实际焊接过程中，由于局部瞬时的大量热输入，导致连接强度、铝壳背面焊印以及焊接区域的平面度无法兼顾。
公开号为CN108296636B的中国专利公开了一种基于脉冲激光的不锈钢面板表面无痕无色差焊接工艺。将加强板激光焊接至不锈钢面板的背面，起到加强筋的作用，提升了不锈钢面板的强度。控制焊点不穿透不锈钢面板的表面，使得焊接后的不锈钢面板表面无痕迹；并且通过控制焊接点的热量积累，避免焊接后出现色差，从而保证了不锈钢面板的外观。整个焊接工艺流程简单、快速，焊接后的不锈钢面板与加强板的抗拉强度达到100kg/cm2左右，不易失效。该焊接工艺适用于在不锈钢面板背面焊接加强筋，但是不适用于本申请厚度较薄的轻薄铝合金外壳和卡扣的焊接，理由如下：
1)该专利是不锈钢与不锈钢之间的焊接，而本申请是不锈钢与铝合金的焊接，异种金属焊接更难控制热输入，铝合金较不锈钢更容易出现背面痕迹；
2)由于该专利是在不锈钢面板的背面焊接加强板，为了保证抗拉强度，其不锈钢板的厚度必然较大，更容易控制背痕；
3)该专利中加强板与不锈钢面板之间的焊接方式为角焊，而本申请是叠焊，角焊比起叠焊也更容易控制背痕。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种激光叠焊方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种激光叠焊方法，用于笔记本电脑卡扣和外壳的无背痕焊接，包括以下步骤：
S1，将笔记本电脑的不锈钢卡扣和铝合金外壳按照设计的位置叠放，并通过治具将卡扣和外壳压紧，保证产品表面平整且接触面之间无间隙；
S2，将所述治具、不锈钢卡扣和铝合金外壳一起固定在焊接平台上；
S3，调整振镜式激光焊接设备与待焊产品之间的相对位置，调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得所述振镜式激光焊接设备发出的激光束聚焦至卡扣与外壳的接触面上；
S4，控制所述振镜式激光焊接设备按照预设的焊接图形对待焊产品进行激光扫描焊接。
具体地，所述治具为恒温治具，所述治具的温度在1～30℃范围内可控，可以在1～30℃范围内设置任意温度并以设置的温度保持恒温，其作用是加快激光焊接过程中的铝合金散热效率，降低铝合金外壳的热累积，保证铝合金外壳不因热量聚集而变色产生背痕。
具体地，所述振镜式激光焊接设备沿激光焊接光路依次包括：激光器、隔离器、准直镜、全反块、振镜、聚焦镜和焊接平台，所述振镜式激光焊接设备还包括控制器和CCD相机，所述控制器分别与激光器、振镜、焊接平台、CCD相机连接。
所述激光器用于发射脉冲激光束；
所述隔离器将激光光束与材料作用时反射回来的光进行有效隔离，保护光纤和激光器免受反射激光的干扰和烧损；
所述准直镜用于将发散的激光束整形成平行激光束；
所述平行激光束经过全反块反射或透射(具体可根据光路结构设计)后进入振镜；
所述振镜用于将激光束偏转至聚焦镜(场镜)；
所述场镜用于将激光束聚焦至待焊工件表面进行焊接。
进一步地，所述激光器为窄脉宽高峰值的脉冲激光器，其目的是减小局部瞬时的热输入，避免焊接过程中壳体背面产生焊印；所述激光器的参数为：
光束质量：M2<1.6；
激光光束波长范围：1040～1070nm；
峰值功率大于80kW；
脉宽：1ns；
频率：50～3000kHz。
具体地，所述焊接平台为二维电动位移平台或三维电动位移平台，所述焊接平台由伺服电机带动丝杆运动，丝杆带动滑块运动，工件固定在滑块上跟随滑块运动，从而实现对工件三维位置的调节。
具体地，所述焊接图形的尺寸大小为0.5×0.5mm～2×2mm之间，将焊接图形设计为“弓”形填充是为了保证焊接强度最大化。
进一步地，所述焊接图形为一个或者多个“弓”形填充；当焊接图形为多个“弓”形填充时，相邻的“弓”形填充之间不重叠，其目的也是为了避免局部瞬时热输入过大导致壳体背面出现焊印或应力太集中导致焊接平面度超标。
具体地，所述卡扣的厚度为0.05～0.4mm；所述外壳的厚度为0.5～1.0mm。
具体地，在焊接过程中，还通入保护气体，所述保护气体包括但不限于氦气、氩气和氮气等惰性气体，避免焊接时产品氧化，提高了焊接质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用激光焊接的方法将笔记本电脑的不锈钢卡扣与铝合金外壳焊接在一起，焊接的过程中，采用阵列式小尺寸的“弓”形填充的激光扫描方式对待焊产品进行焊接，可以避免应力集中造成的背痕及焊接平面度超标；同时，在焊接的过程中，采用恒温治具对铝合金外壳进行快速散热，可以降低铝合金外壳的热累积，保证铝合金外壳不因热量聚集而变色产生背痕；本发明的焊接方法在焊接0.05～0.4mm厚度不锈钢卡扣和0.5～1.0mm笔记本电脑铝合金外壳的金属产品时，可同时满足强度、铝合金外壳背面的无变色无背痕的外观要求以及焊接区域的平面度要求，焊接效果良好且过程稳定，易于自动化生产，实现永久性连接。
附图说明
图1为本发明一种激光叠焊方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中振镜式激光焊接设备的结构示意框图。
图3为本发明实施例案例一中的焊接图形填充示意图。
图4为本发明实施例案例二中的焊接图形填充示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种激光叠焊方法，用于笔记本电脑卡扣和外壳的无背痕焊接，包括以下步骤：
S1，将笔记本电脑的不锈钢卡扣和铝合金外壳按照设计的位置(所述设计的位置即为不锈钢卡扣在铝合金外壳上的焊接位置)叠放，并通过治具将卡扣和外壳压紧，保证产品表面平整且接触面之间无间隙；
S2，将所述治具、不锈钢卡扣和铝合金外壳一起固定在焊接平台上；
S3，调整振镜式激光焊接设备与待焊产品之间的相对位置，调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得所述振镜式激光焊接设备发出的激光束聚焦至卡扣与外壳的接触面上；
S4，控制所述振镜式激光焊接设备按照预设的焊接图形对待焊产品进行激光扫描焊接。
作为本实施例优选地实施方式，所述治具为恒温治具，所述治具的温度在1～30℃范围内可控，可以在1～30℃范围内设置任意温度并以设置的温度保持恒温，其作用是加快激光焊接过程中的铝合金散热效率，降低铝合金外壳的热累积，保证铝合金外壳不因热量聚集而变色产生背痕。
所述恒温治具是在现有的治具基础上，在其内部开设一个封闭的空腔，在所述空腔内注有冷却液，并在治具的侧面开设进液口和出液口(所述进液口、出液口均与空腔连通)，所述出液口通过管道依次连通循环泵、散热器、储水箱和进液口，所述储水箱内设有制冷器，所述循环泵、散热器和制冷器通过PLC控制器控制，所述空腔内还设有温度传感器，用于实时监测空腔内的温度，所述温度传感器与PLC控制器连接，PLC控制器根据监测的实时温度控制循环泵、散热器和制冷器的工作状态，从而实现治具的恒温效果。
具体地，如图2所示，所述振镜式激光焊接设备沿激光焊接光路依次包括：激光器、隔离器、准直镜、全反块、振镜、聚焦镜和焊接平台，所述振镜式激光焊接设备还包括控制器和CCD相机，所述控制器分别与激光器、振镜、焊接平台、CCD相机连接。
所述激光器用于发射脉冲激光束；
所述隔离器将激光光束与材料作用时反射回来的光进行有效隔离，保护光纤和激光器免受反射激光的干扰和烧损；
所述准直镜用于将发散的激光束整形成平行激光束；
所述平行激光束经过全反块透射后进入振镜；
所述振镜用于将激光束偏转至聚焦镜(场镜)；
所述场镜用于将激光束聚焦至待焊工件表面进行焊接。
所述全反块是一种激光光学器件，用于透过激光反射可视光，实现CCD相机的拍摄光路与激光束的加工光路同轴；所述振镜由两个伺服电机带动镜片偏转，通过软件控制将平行光束偏转到指定位置；所述CCD相机可实时监测焊接区域。
作为本实施例优选地实施方式，所述激光器为窄脉宽高峰值的脉冲激光器，其目的是减小局部瞬时的热输入，避免焊接过程中壳体背面产生焊印；所述激光器的参数为：
光束质量：M2<1.6；
激光光束波长范围：1040～1070nm；
峰值功率大于80kW；
脉宽：1ns；
频率：50～3000kHz。
具体地，所述焊接平台为二维电动位移平台或三维电动位移平台，所述焊接平台由伺服电机带动丝杆运动，丝杆带动滑块运动，工件固定在滑块上跟随滑块运动，从而实现对工件三维位置的调节。
所述控制器包括软件、控制卡以及控制电路，由软件绘制焊接图形，并设置相应的激光器焊接参数以及焊接平台的位移参数，通过控制电路将焊接参数和位移参数下发到控制卡，再由所述控制卡下发信号至激光器、振镜以及焊接平台，从而实现对工件的激光焊接。
具体地，所述焊接图形的尺寸大小为0.5×0.5mm～2×2mm之间，将焊接图形设计为“弓”形填充，可以保证焊接强度最大化并且减少焊接过程的热输入，避免局部瞬时热输入过大导致壳体背面出现焊印或表面不平整。
进一步地，所述焊接图形为多个“弓”形填充，相邻的“弓”形填充之间不重叠，其目的也是为了避免局部瞬时热输入过大导致壳体背面出现焊印或表面不平整。
具体地，所述卡扣的厚度为0.05～0.4mm；所述外壳的厚度为0.5～1.0mm。
具体地，在焊接过程中，还通入保护气体，所述保护气体包括但不限于氦气、氩气和氮气等惰性气体，避免焊接时产品氧化，提高了焊接质量。
案例一：
如图3所示，本案例以0.3mm厚度的不锈钢卡扣叠焊0.8mm厚度的笔记本电脑铝合金外壳为例，焊接区域不超过5mm×72mm的长方形，要求焊接强度大于280N，不允许外壳背面有任何变色或者背痕，且要求焊接完成后的铝合金外壳焊接区域的平面度小于0.05mm。
焊接方法如下：
采用80W脉冲激光器，激光波长为1070nm，光束质量M2为1.3，聚焦光斑为40μm；焊接区域内排布9个方块，尺寸为1.6×2mm，在每一个方块中又分成2个弓形填充图形小块，尺寸为0.7×2mm；填充间距为0.03mm，焊接功率设置为80W，脉宽为1ns，频率为1500kHz，焊接速度设置为30mm/s，治具温度设定为2℃。
焊接效果如下：
实际焊接强度为310N，外壳背面无变色无背痕，外壳焊接区域的平面度为0.03mm，满足焊接要求。
案例二：
如图4所示，本案例以0.2mm厚度的不锈钢卡扣叠焊0.8mm笔记本电脑铝合金外壳为例，焊接区域不超过4mm×50mm的长方形，要求焊接强度大于200N，不允许外壳背面有任何变色或者背痕，且要求焊完后的铝合金外壳焊接区域的平面度小于0.05mm。
焊接方法如下：
采用80W脉冲激光器，激光波长为1070nm，光束质量M2为1.3，聚焦光斑为40μm；焊接区域内排布6个方块，尺寸为2×1.8mm，在每一个方块中又分成3个弓形填充图形小块，尺寸为0.6×1.8mm；填充间距为0.04mm，焊接功率设置为70W，脉宽为1ns，频率为2000kHz，焊接速度设置为200mm/s，治具温度设定为5℃。
焊接效果如下：
实际焊接强度为230N，外壳背面无变色无背痕，外壳焊接区域的平面度为0.04mm，满足焊接要求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施列的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每--流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种激光叠焊方法，用于笔记本电脑卡扣和外壳的无背痕焊接，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将笔记本电脑的不锈钢卡扣和铝合金外壳按照设计的位置叠放，并通过治具将卡扣和外壳压紧；所述治具为恒温治具，所述治具的温度在1-30℃范围内可控；所述治具内部开设有一个封闭的空腔，在所述空腔内注有冷却液，并在治具的侧面开设有进液口和出液口，所述出液口通过管道依次连通循环泵、散热器、储水箱和进液口，所述储水箱内设有制冷器，所述循环泵、散热器和制冷器通过PLC控制器控制，所述空腔内还设有温度传感器；
S2，将所述治具、不锈钢卡扣和铝合金外壳固定在焊接平台上；
S3，调整振镜式激光焊接设备与待焊产品之间的相对位置，调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得所述振镜式激光焊接设备发出的激光束聚焦至卡扣与外壳的接触面上；
S4，基于预设的焊接图形，对笔记本电脑的不锈钢卡扣和铝合金外壳的接触面无背痕焊接，焊接采用小脉宽高峰值的脉冲激光器，所述激光器的参数为：光束质量：M2＜1.6；激光光束波长范围：1040-1070nm；峰值功率大于80kw；脉宽：1ns；频率：50-3000kHz；所述焊接图像为一个或者多个“弓”形填充；当焊接图形为多个“弓”形填充时，相邻的“弓”形填充之间不重叠。
2.根据权利要求1所述的一种激光叠焊方法，其特征在于，所述振镜式激光焊接设备沿激光焊接光路依次包括：激光器、隔离器、准直镜、全反块、振镜、聚焦镜和焊接平台，所述振镜式激光焊接设备还包括控制器和CCD相机，所述控制器分别与激光器、振镜、焊接平台、CCD相机连接。
3.根据权利要求2所述的一种激光叠焊方法，其特征在于，所述焊接平台为二维电动位移平台或三维电动位移平台。
4.根据权利要求1所述的一种激光叠焊方法，其特征在于，所述的焊接图形的尺寸大小为0.5×0.5mm～2×2mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种激光叠焊方法，其特征在于，所述卡扣的厚度为0.05～0.4mm；所述外壳的厚度为0.5～1.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光叠焊方法，其特征在于，在焊接过程中，还通入保护气体，所述保护气体包括氦气、氩气和氮气。
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