CN115233131A - 一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，包括以下步骤：S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的有色金属片，作为加工样片；S2.将加工样片固定于二维平台上，调节红外激光器使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处；S3.触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描，直至待处理区域边缘；S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，待处理区域激光熔覆、抛光完成。本发明选用对红外激光吸收率较高的浸镀锡铜片等有色金属进行熔覆、抛光，激光熔覆、抛光后组织表面光滑平整，加工面显微组织中晶粒明显细化，没有飞溅和空洞的产生。

Description

一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法
技术领域
本发明涉及激光加工，具体地指一种红外激光对有色金属浸镀锡后的有效熔覆、抛光方法。
背景技术
浸镀工艺多用于镀金、镀银和镀铜等，工艺成本低，可能为未来最有前途的浸镀技术之一。浸镀可以获得不同粒度、厚度均匀、焊接性能好、有一定抗氧化和抗腐蚀能力的镀层，在电子工业产品及PCB领域中具有广泛的应用前景。但由于是采用置换方式，浸镀所获得的组织通常是较为疏松的，其镀层的沉积模式通常被认为是岛状生长，并逐渐连成一片，较长时间的镀覆通常产生三维生长,并最终形成枝晶，造成镀层疏松、不致密，镀层在空气中极易氧化变色，从而影响它的可焊性。
随着电动汽车的高速发展，铜零部件已成为汽车行业最重要的研究课题之一。新能源汽车中使用的铜量将在各个方面增加，并且内部需要大量浸镀锡铜接插件。目前，市场上大多数新能源汽车都选择永磁同步电动机(PMSM)。这种类型的电动机每千瓦使用约0.1kg的铜，而商用新能源汽车的功率通常在100kW以上，仅电动机的铜消耗就超过10kg。再加上电池和充电功能需要大量的浸镀锡铜接插件，总体消耗量大。现有浸镀锡铜接插件具有镀锡层容易氧化影响电气性能的缺陷，导致新能源汽车安全系数降低。
激光熔覆是一种表面改性技术，又叫激光熔敷或激光包覆，采用高能量激光作为热源，合金粉末作为焊材，通过激光与合金粉末同步作用于金属表面，快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均匀并且厚度可控的冶金结合层。激光熔覆一般有两种送粉方式，预置送粉(比如涂刷粘结法和热喷涂)和同步送粉，预置送粉方式有涂刷粘结法和热喷涂等。现有技术中还未见将激光熔覆用于改良浸镀锡铜接插件表面质量。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种步骤简单、操作方便、镀层致密平整的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法。
本发明的技术方案为：一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的有色金属片，作为加工样片，其中镀镍层的厚度＜镀锡层的厚度；
S2.将加工样片固定于二维平台上，调节红外激光器使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦3-15mm、光斑在加工样片上直径60-700μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处；
S3.触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描，直至待处理区域边缘，0.8倍光斑直径≤螺旋线形轨迹上相邻两圈间距＜光斑直径，螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，待处理区域激光熔覆、抛光完成。
优选的，步骤S1中有色金属片为厚度0.1-5mm的铜片或铝片。
优选的，步骤S1中镀镍层的厚度为2-200μm、镀锡层的厚度为10-1000μm。
优选的，步骤S3中红外激光的激光功率50-80W、激光脉宽200-400ns、频率200-4000KHZ。
优选的，步骤S3激光速度为100-1200mm/s。
优选的，步骤S3中红外激光器进行恒温控制，保持工作温度处于24℃-26℃。
优选的，步骤S3中激光发射过程中二维平台保持静止。
优选的，步骤S2中红外激光器为光纤泵浦红色激光器，性能参数为激光波长1050-1070nm、平均功率100W、最高单脉冲能量2mJ、峰值功率为1kW-15kW、光束质量M2因子≤1.3、最小脉冲宽度2ns。
优选的，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的有色金属片，作为加工样片，其中镀镍层的厚度＜镀锡层的厚度；
S2.将加工样片固定于二维平台上，调节红外激光器使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦10mm、光斑在加工样片上直径300μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处；
S3.按激光功率60W、激光脉宽220ns、频率1000KHZ触发红外激光，红外激光通过振镜以激光速度500mm/s沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描，直至待处理区域的边缘，其中螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上，螺旋线形轨迹相邻两圈间的距离为270μm；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，待处理处激光熔覆、抛光完成。
本发明的有益效果为：
1.锡对红外激光(波长1064nm)的吸收率为45～60％，因此熔覆、抛光过程可以非常稳定，并且不会出现初始吸收和过热的问题。以光纤泵浦红外激光器作为光源，产生的光能易被溅镀锡吸收，通过螺旋线形轨迹可以实现无飞溅的熔覆、抛光，获得光亮乃至缎面光泽的锡镀层。同时采用高重频光纤激光器可通过控制脉宽和重复频率实现激光辐射能量的精确控制。
2.选用对红外激光吸收率较高的浸镀锡铜片等有色金属进行熔覆、抛光，激光熔覆、抛光后组织表面光滑平整，加工面显微组织中晶粒明显细化，没有飞溅和空洞的产生，激光功率50-80W、光斑直径60-700μm使光斑具有较高的功率密度，为高频率激光的熔覆、抛光提供足够的热力学条件。
3.在熔覆、抛光过程中，对红外激光器进行恒温控制，使得红外激光器的工作温度处于24℃-26℃，在此温度范围内，激光器稳定性更好，确保样片后续焊接时品质的稳定。
4.由于红外激光吸收性好、稳定性高，可以在扫描时实现高进给速率，从而减少热传导和热膨胀造成的热损耗。
附图说明
图1为实施例1中扫描的螺旋线形轨迹示意图
图2为实施例1中加工样片激光熔覆、抛光完成后表面形态
图3为实施例2中加工样片激光熔覆、抛光完成后表面形态
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。以下实施例中：有色金属片的电镀镍、浸镀锡采用现有工艺；红外激光器均采用市售的(IPJ公司的YLPN-1-20X-100型号)光纤泵浦红外激光器，性能参数为激光波长1050-1070nm、平均功率100W、最高单脉冲能量2mJ、峰值功率为1kW-15kW、光束质量M2因子≤1.3、最小脉冲宽度2ns。
实施例1
本实施例提供的一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的紫铜片，作为加工样片，本实施例中紫铜片厚度为0.4mm、镀镍层的厚度为50μm、镀锡层的厚度为100μm；
S2.将加工样片固定在治具上，装配好治具固定在二维平台上，将红外激光器装配在升降平台上，调节二维平台和升降平台测试出激光最强时、光斑最小的位置作为焦点，再调节升降平台使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦10mm、光斑在加工样片上直径300μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处，本实施例中待处理区域为直径8mm的圆形；
S3.设定激光功率60W、激光脉宽220ns、频率1000KHZ、激光速度500mm/s，触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描1遍，直至待处理区域的边缘，其中螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上，螺旋线形轨迹相邻两圈间的距离为270μm，扫描的螺旋线形轨迹如图1所示，熔覆、抛光过程当中激光不会出现跳转，抑制飞溅和空洞的形成，确保熔覆、抛光品质稳定，激光发射过程中红外激光器保持工作温度24℃-26℃且二维平台保持静止状态；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，形成组织表面光滑平整，待处理区域激光熔覆、抛光完成。
若加工样片上还有其它待处理区域，重复步骤S2-S4即可。
实施例2
本实施例提供的一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的铜片，作为加工样片，本实施例中铜片厚度为2mm、镀镍层的厚度为100μm、镀锡层的厚度为200μm；
S2.将加工样片固定在治具上，装配好治具固定在二维平台上，将红外激光器装配在升降平台上，调节二维平台和升降平台测试出激光最强时、光斑最小的位置作为焦点，再调节升降平台使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦4mm、光斑在加工样片上直径150μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处，本实施例中待处理区域为直径8mm的圆形；
S3.设定激光功率50W、激光脉宽300ns、频率2000KHZ、激光速度200mm/s，触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描1遍，直至待处理区域的边缘，其中螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上，螺旋线形轨迹相邻两圈间的距离为120μm，扫描的螺旋线形轨迹如图1所示，熔覆、抛光过程当中激光不会出现跳转，抑制飞溅和空洞的形成，确保熔覆、抛光品质稳定，激光发射过程中红外激光器保持工作温度24℃-26℃且二维平台保持静止状态；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，形成组织表面光滑平整，待处理区域激光熔覆、抛光完成。
若加工样片上还有其它待处理区域，重复步骤S2-S4即可。
实施例3
本实施例提供的一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的铜片，作为加工样片，本实施例中铜片厚度为4mm、镀镍层的厚度为200μm、镀锡层的厚度为500μm；
S2.将加工样片固定在治具上，装配好治具固定在二维平台上，将红外激光器装配在升降平台上，调节二维平台和升降平台测试出激光最强时、光斑最小的位置作为焦点，再调节升降平台使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦15mm、光斑在加工样片上直径500μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处，本实施例中待处理区域为直径8mm的圆形；
S3.设定激光功率80W、激光脉宽400ns、频率4000KHZ、激光速度1200mm/s，触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描1遍，直至待处理区域的边缘，其中螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上，螺旋线形轨迹相邻两圈间的距离为470μm，扫描的螺旋线形轨迹如图1所示，熔覆、抛光过程当中激光不会出现跳转，抑制飞溅和空洞的形成，确保熔覆、抛光品质稳定，激光发射过程中红外激光器保持工作温度24℃～26℃且二维平台保持静止状态；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，形成组织表面光滑平整，待处理区域激光熔覆、抛光完成。
若加工样片上还有其它待处理区域，重复步骤S2-S4即可。
实施例1-2加工样片上待处理区域激光熔覆、抛光完成后表面形态如图2-3所示，将激光熔覆、抛光区域与周围未处理的区域进行对比，则可看出在铜基材上采用浸镀方法制备镀锡层灰暗,没有光泽,激光熔覆、抛光后观察到镀层结晶光亮以及明显非常致密。

Claims (9)

1.一种有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的有色金属片，作为加工样片，其中镀镍层的厚度＜镀锡层的厚度；
S2.将加工样片固定于二维平台上，调节红外激光器使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦3-15mm、加工样片上光斑直径为60-700μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处；
S3.触发红外激光，红外激光通过振镜沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描，直至待处理区域边缘，0.8倍光斑直径≤螺旋线形轨迹上相邻两圈间距＜光斑直径，螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，待处理区域激光熔覆、抛光完成。
2.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S1中有色金属片为厚度0.1-5mm的铜片或铝片。
3.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S1中镀镍层的厚度为2-200μm、镀锡层的厚度为10-1000μm。
4.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S3中红外激光的激光功率50-80W、激光脉宽200-400ns、频率200-4000KHZ。
5.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S3激光速度为100-1200mm/s。
6.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S3中红外激光器进行恒温控制，保持工作温度处于24℃-26℃。
7.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S3中激光发射过程中二维平台保持静止。
8.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，步骤S2中红外激光器为光纤泵浦红色激光器，性能参数为激光波长1050-1070nm、平均功率100W、最高单脉冲能量2mJ、峰值功率为1kW-15kW、光束质量M2因子≤1.3、最小脉冲宽度2ns。
9.如权利要求1所述的有色金属浸镀锡后激光熔覆、抛光的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预备表面已先电镀镍、后浸镀锡的有色金属片，作为加工样片，其中镀镍层的厚度＜镀锡层的厚度；
S2.将加工样片固定于二维平台上，调节红外激光器使红外激光满足焦点在加工样片上方正离焦10mm、光斑在加工样片上直径300μm，调节二维平台使光斑位于加工样片上待处理区域的中心处；
S3.按激光功率60W、激光脉宽220ns、频率1000KHZ触发红外激光，红外激光通过振镜以激光速度500mm/s沿一条连续的螺旋线形轨迹从内向外扫描，直至待处理区域的边缘，其中螺旋线形轨迹的最外端连接至相邻内圈上，螺旋线形轨迹相邻两圈间的距离为270μm；
S4.关闭激光，液态浸镀锡层冷却，待处理处激光熔覆、抛光完成。
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