CN115041813A - 非金属与金属激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非金属与金属激光焊接方法，属于焊接技术领域。该非金属与金属激光焊接方法包括将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合；调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上；其中，所述激光束的峰值功率为5‑13kW；控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，以将所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。本发明旨在解决非金属和金属材料的精密连接问题，缩短传统方法的生产周期，提高生产效率。

Description

非金属与金属激光焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种非金属与金属激光焊接方法。

背景技术

相关技术中，非金属与金属激光焊接方法，需要在焊接前对焊接金属材料做表面预处理，比如对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层氧化膜，对玻璃进行清洗，然后冷却风干，或者是先用超快激光在玻璃表面制作微透镜阵列，然后再进行激光焊接。

以上的焊接方式过程繁琐，需要较长的生产周期，不利于工业量产。

发明内容

本发明提供一种非金属与金属激光焊接方法，旨在缩短传统激光焊接方法的生产周期，提高生产效率。

为实现上述目的，本发明提供一种非金属与金属激光焊接方法，所述非金属与金属激光焊接方法包括：

将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合；

调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上；其中，所述激光束的峰值功率为5-13kW；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，以将所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

可选的，所述调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上的步骤之前，所述方法还包括：

对激光器发出的脉冲激光束进行焦点调试，每次调试距离小于0.2mm，直至所述焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上，控制激光器发出峰值功率为5-13kW的脉冲激光束。

可选的，所述激光器的焊接功率为50-60W，脉冲宽度为30-50ns，扫描频率为200-300khz，扫描速度为2000-2500mm/s。

可选的，所述焊接光斑沿螺旋线焊接路径进行扫描焊接，其中，所述螺旋线为无内外圈螺旋线、无外圈螺旋线以及有内外圈螺旋线中的任一种。

可选的，所述所述螺旋线的螺距为0.04mm，内径为0.05mm，外径为4mm。

可选的，当所述螺旋线为有内外圈螺旋线时，所述控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，包括：

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的内圈进行扫描焊接；其中，所述激光器的功率上升至稳定功率；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的螺旋线进行扫描焊接；其中，所述激光器以所述稳定功率运行；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的外圈进行扫描焊接；其中，所述激光器的功率由所述稳定功率下降，直至功率为零。

可选的，所述内圈的长度为1mm；

所述外圈的长度为1.2mm。

可选的，所述在沿所述有内外圈螺旋线的内圈进行扫描焊接时，所述激光器的功率由30％上升至50-60W的稳定功率。

可选的，所述第一待焊接非金属件包括玻璃，所述第二待焊接金属件包括铝合金、不锈钢、钛合金、球墨铸铁以及纯铁中的任一种。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种构件，包括层叠布置的第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件，所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件采用如上任一项所述的非金属与金属激光焊接方法焊接。

本发明实施例提出的一种非金属与金属激光焊接方法，该方法通过将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合，调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上，其中，激光束的峰值功率为5-13kW，控制激光器在结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，以将第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。由此，本实施例通过控制激光器发出的激光束聚焦在两种待焊接材件的结合面上，将激光束千瓦峰值功率的能量作用在结合面几十微米的范围上，即可直接进行焊接，不需要对材料进行表面预处理，也不需要辅助气体，实现了异种材件的精密焊接，缩短了生产周期。

附图说明

图1为本发明非金属与金属激光焊接方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明非金属与金属激光焊接方法第二实施例的流程示意图；

图3为本发明非金属与金属激光焊接方法螺旋线焊接路径示意图；

图4为本发明非金属与金属激光焊接方法熔池示意图；

图5为本发明非金属与金属激光焊接方法焊点示意图。

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

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，

在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。

在本发明中，若有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

由于传统的非金属与金属激光焊接方法，需要在焊接前对焊接金属材料做表面预处理，比如对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层氧化膜，对玻璃进行清洗，然后冷却风干，或者是先用超快激光在玻璃表面制作微透镜阵列，然后让激光透过玻璃的微透镜阵列照射在与其连接的金属上进行加热，使熔融的金属材料浸入玻璃的微透镜阵列中，形成自锁结构，从而将玻璃和金属进行连接，以上的焊接方式过程繁琐，需要较长的生产周期，不利于工业量产。

本发明提供一种解决方案，通过将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合，调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上，其中，激光束的峰值功率为5-13kW，控制激光器在结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，以将第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起，由此实现了异种材件的精密连接，不需要对材料进行表面预处理，也不需要辅助气体，缩短了生产周期。

本申请实施例以下，将对本申请技术实现中应用到的非金属与金属激光焊接方法进行说明：

参照图1，图1示出了本发明非金属与金属激光焊接方法第一实施例的流程示意图。

所述非金属与金属激光焊接方法包括：

步骤S100、将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合；

本实施例中，第一待焊接非金属件可以为玻璃，陶瓷等，玻璃材料可以为蓝宝石玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃、钾玻璃、钠钙玻璃等。第二待焊接金属件可以为铝合金、不锈钢、钛合金、球墨铸铁、纯铁等。

将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合，可以使用治具等将第一待焊接金属件和第二待焊接非金属件夹紧，保证待焊接材件表面平整且减小接触面之间的间隙，防止两层材件之间间隙过大而产生虚焊。

步骤S200、调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上；其中，所述激光束的峰值功率为5-13kW；

激光器发出的脉冲激光束先通过扫描振镜，扫描振镜将激光束偏转至场镜，场镜再将激光束聚焦至第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上。

焊接前，将待焊接材件平面平放在激光器的场镜正下方，控制纳秒激光器以预设功率发出脉冲激光束开始进行焦点调试，直至激光器发出的脉冲激光束的焦点处于第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上，焦点调试完成，控制激光器发出峰值功率为5-13kW的激光束以进行焊接。

步骤S300、控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿螺旋线焊接路径进行扫描焊接，以将所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

焦点调试完成后，控制激光器发出的激光束在第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件的结合面上聚焦而成的焊接光斑沿螺旋线焊接路径进行扫描焊接，在结合面上形成螺旋线状的焊点，从而将第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

焊接过程中，在高峰值的激光束作用下，两种待焊接材件部分气化，部分熔化，两者结合面上会形成熔池，熔池冷却，凝固后，非金属与金属的接合面部分材件混合起来，产生类似“镶嵌”的效果，从而使得第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件紧密连接。

需要说明的是，激光器可以产生多种波形，每种波动单脉冲能量和峰值均不相同，焊接效果不同，具体实施中，根据波形的测试效果选择对应波形。

本实施例通过将待焊接的非金属件和金属件紧密贴合，控制激光器的激光束的焦点聚焦至两个待焊接材件的接合面上，控制激光器发出预设波形，以非常小且高度聚集的光斑作用在两个材料的结合面上，以只有几十个微米的范围将千瓦峰值功率的能量作用在结合面上，使得非金属与金属部分混合，实现两个待焊接材件的紧密连接。焊接时，快速的焊接过程减少了化合物的产生，焊接后的材件拉力强且稳定，此焊接方法对比传统的加工方式和激光焊接，无需涂敷复杂的工序，不需对待焊接材料进行表面处理，不需要任何辅助气体，减少人力成本，还极大提升了工作效率与工业产量可行性。

基于上述图1所示的实施例，提出本发明非金属与金属激光焊接方法第二实施例，参照图2，图2示出了本发明非金属与金属激光焊接方法第二实施例的流程示意图。

本实施例中，非金属与金属激光焊接方法为：

步骤S100、将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合；

本实施例中，第一待焊接非金属件为玻璃，第二待焊接金属件为铝合金。

将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合，可以使用治具等将第一待焊接金属件和第二待焊接非金属件夹紧，保证待焊接材件表面平整且减小接触面之间的间隙，防止两层材件之间间隙过大而产生虚焊。

步骤S200’、对激光器发出的脉冲激光束进行焦点调试，每次调试距离小于0.2mm，直至焦点处于第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上；

激光器发出的脉冲激光束先通过扫描振镜，扫描振镜将激光束偏转至场镜，场镜再将激光束聚焦至第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上。

本实施例选用常见的1064nm激光器，焊接前，将待焊接材件平面平放在场镜正下方，控制纳秒激光器以30％的功率发出脉冲激光束开始进行焦点调试，可以通过调节工作面高度来慢慢调试焦点位置，调试过程中，使用激光测距仪或千分尺进行高度测量，每次调试距离小于0.2mm，直至激光器发出的脉冲激光束的焦点处于第一待焊接非金属件和第二待焊接金属件的结合面上，焦点调试完成。

具体实施中，也可先使用非高反测试材料进行焦点调试，例如不锈钢片。

步骤S300’、控制激光器在结合面上形成的焊接光斑沿螺旋线焊接路径进行扫描焊接，以将第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

焦点调试完成后，控制激光器发出的激光束在第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件的结合面上聚焦而成的焊接光斑沿螺旋线焊接路径由内而外进行扫描，在结合面上形成螺旋线状的焊点，从而将第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

如图3所示，螺旋线可以为无内外圈螺旋线、无外圈螺旋线以及有内外圈螺旋线的一种，具体实施中，螺旋线的螺距a为0.04mm，内径为0.05mm，外径c为4mm。

在一示例中，当螺旋线为有内外圈螺旋线时，控制激光器在结合面上形成的焊接光斑沿有内外圈螺旋线的内圈进行扫描焊接，内圈的长度约为1mm，外圈的长度约为1.2mm，扫描内圈过程中，激光器由30％的功率缓慢上升至稳定焊接功率；

激光器功率上升至稳定焊接功率后，控制激光器在结合面上形成的焊接光斑沿有内外圈螺旋线的螺旋线进行扫描焊接，焊接时，激光器的焊接功率为50～60W，脉冲宽度为30～50ns，扫描频率为200～300khz，扫描速度为2000～2500mm/s，发出的激光束的峰值功率为5-13kW。

以稳定焊接功率扫描螺旋线焊接完成后，控制激光器在结合面上形成的焊接光斑沿有内外圈螺旋线的外圈进行扫描焊接，外圈的长度约为1.2mm，扫描外圈过程中，激光器由稳定焊接功率缓慢下降，直至功率为零，即完成一个焊点的焊接。

焊接过程中，在激光束作用下，两种待焊接材件部分气化，部分熔化，两者结合面上会形成熔池，焊点剖面熔池示意如图4所示，第一待焊接非金属件部分向下嵌入第二待焊接金属件，同样的，第二待焊接金属件部分向上嵌入第一待焊接非金属件，产生类似“镶嵌”的效果，高峰值的激光脉冲将非金属与金属混合起来，从而第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件紧密连接。

具体的，焊点由多个脉冲点组成，即由一系列微焊接组合而成，焊点如图5所示，当需要调整焊点大小时，只需要调整每个脉冲点的尺寸，不需要更换任何硬件。

需要说明的是，激光器可以产生多达37种波形，每种波动单脉冲能量和峰值均不相同，焊接效果不同，具体实施中，根据波形的测试效果选择对应波形，本实施例的部分测试数据如下表所示：

如上表10种波形测试数据，在单次脉冲中，第一列数据PRF0(kHz)表示峰值频率，第二列数据PRFmax(kHz)表示最高频率，第三列数据Emax(mJ)表示单脉冲能量，第四列数据Pulse(ns)FWHM表示峰值功率一半处对应的脉宽，第五列数据Pulse(ns)10％表示峰值功率10％处对应的脉宽，第六列数据Emax(kW)表示峰值功率。

本实施例根据测试效果，优选以上波形中的前四种波形，波形的峰值功率达到10千瓦及以上。

本实施例通过将待焊接的非金属件和金属件紧密贴合，控制激光器的激光束的焦点聚焦至两个待焊接材件的接合面上，控制激光器发出预设波形，以非常小且高度聚集的光斑作用在两个材料的结合面上，以只有几十个微米的范围将千瓦峰值功率的能量作用在结合面上，使得非金属与金属部分混合，产生类似“镶嵌”的效果，实现两个待焊接材件的紧密连接，快速的焊接过程减少了化合物的产生，焊接后的材件拉力强且稳定，此焊接方法对比传统的加工方式和激光焊接，无需涂敷复杂的工序，不需对待焊接材料进行表面处理，不需要任何辅助气体，减少人力成本，还极大提升了工作效率与工业产量可行性。

焊接过程中，控制焊接光斑沿螺旋线进行扫描焊接，若采用有内外圈的螺旋线焊接路径，焊接开始时，焊接光斑扫描外圈，控制激光器由30％的功率缓慢上升至稳定焊接功率，以稳定焊接功率扫描螺旋线焊接完成后，焊接光斑扫描外圈，控制激光器由稳定焊接功率缓慢下降，直至功率为零，完成一个焊点的焊接。本实施例使用螺旋线内圈缓升，外圈缓降的方式对材料进行预设和缓冷，以防止焊接过程中玻璃材料因急速升温或者急速降温导致炸裂。

此外，螺旋线焊点由一系列脉冲点组成，调整焊点大小很方便，焊接时根据不同需求调整脉冲点的图形的尺寸即可，不需更换硬件。

本实施例的焊接工艺是一个多重制程相互作用的可控热量输入的复杂过程，根据实际焊接需求，控制激光器发出预设波形，实现脉宽、脉冲能量、峰值功率等的多重控制避免传统激光焊接缺陷，能够通过参数调校实现更好的工艺控制和变化，进而提升产品质量和生产效率，提高附加值。

此外，基于同一发明构思，本发明实施例还提出一种构件，包括层叠布置的第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件，所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件采用如上所述的非金属与金属激光焊接方法焊接。由于本构件采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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或等效流程变换，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)

1.一种非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，包括：

将第一待焊接非金属件放置于第二待焊接金属件上并紧密贴合；

调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上；其中，所述激光束的峰值功率为5-13kW；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，以将所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件焊接至一起。

2.根据权利要求1所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述调整激光器发出的脉冲激光束的焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上的步骤之前，所述方法还包括：

对所述激光器发出的脉冲激光束进行焦点调试，每次调试距离小于0.2mm，直至所述焦点处于所述第一待焊接非金属件和所述第二待焊接金属件的结合面上。

3.根据权利要求1所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述激光器的焊接功率为50-60W，脉冲宽度为30-50ns，扫描频率为200-300khz，扫描速度为2000-2500mm/s。

4.根据权利要求1所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述焊接光斑沿螺旋线焊接路径进行扫描焊接，其中，所述螺旋线为无内外圈螺旋线、无外圈螺旋线以及有内外圈螺旋线中的任一种。

5.根据权利要求4所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述螺旋线的螺距为0.04mm，内径为0.05mm，外径为4mm。

6.根据权利要求5所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，当所述螺旋线为有内外圈螺旋线时，所述控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑进行扫描焊接，包括：

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的内圈进行扫描焊接；其中，所述激光器的功率上升至稳定功率；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的螺旋线进行扫描焊接；其中，所述激光器以所述稳定功率运行；

控制所述激光器在所述结合面上形成的焊接光斑沿所述有内外圈螺旋线的外圈进行扫描焊接；其中，所述激光器的功率由所述稳定功率下降，直至功率为零。

7.根据权利要求6所述非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述内圈的长度为1mm；

所述外圈的长度为1.2mm。

8.根据权利要求6所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，在沿所述有内外圈螺旋线的内圈进行扫描焊接时，所述激光器的功率由30％上升至50-60W的稳定功率。

9.根据权利要求8所述的非金属与金属激光焊接方法，其特征在于，所述第一待焊接非金属件包括玻璃，所述第二待焊接金属件包括铝合金、不锈钢、钛合金、球墨铸铁以及纯铁中的任一种。

10.一种构件，其特征在于，包括层叠布置的第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件，所述第一待焊接非金属件与第二待焊接金属件采用如权利要求1至9任一项所述的非金属与金属激光焊接方法焊接。

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