CN208342006U

CN208342006U - 用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置

Info

Publication number: CN208342006U
Application number: CN201690000581.1U
Authority: CN
Inventors: D·A·卡波斯塔尼奥; J·T·加布笛尔
Original assignee: SPI Lasers UK Ltd
Current assignee: Tongkuai Laser Uk Ltd
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: US20180029163A1; KR102248769B1; WO2016128705A1; US10668565B2; CN209754269U; JP6993879B2; KR20170116118A; JP2018505059A; GB201502149D0; EP3256284A1

Abstract

一种用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置，包括：纳秒激光器，所述纳秒激光器以激光脉冲形式发射激光束，耦合至所述纳秒激光器的扫描仪，用于将所述激光束相对于所述第一金属部件的金属表面移动，以及耦合至所述扫描仪的控制器，所述控制器控制所述扫描仪。

Description

用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置

技术领域

本实用新型涉及用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置。本实用新型对于焊接不同金属、光亮金属以及对于在消费者电子设备、电子封装、能量存储、装饰设计以及医疗设备具有特殊应用。

背景技术

通过近红外频谱(800nm到2500nm)中的激光焊接来接合光亮金属(诸如，金、铜、铝、铂和银)提出了挑战，因为光亮金属的表面是高反射性的，吸收不良。为了克服表面反射以及发起激光能量耦合至金属表面中，使用具有高功率密度的激光束是必要的。

光束对光亮材料的函数近似于具有来自光束抵抗(hold-off)(反射)和吸收中的非常窄的工作窗口的离散函数。首先，表面反射基本上所有激光。然而，一旦通过足够的激光强度克服了表面反射，则引发表面的熔化。该反射随后几乎立即从其原有超过80％反射率的高反射状态转变为较低值，对于某些金属而言，可能低于50％的反射率。这导致表面上的熔池非常迅速地生长。因此非常难以控制。

当焊接薄且小质量部分时，挑战增加。此种高功率密度通常是不利的，这导致激光束的过穿透，并且导致不可靠的接合。相反，如果用光束密度在或刚刚高于吸收限制的较低功率密度来操作近红外激光器，则作为激光束与金属表面的不一致和随机耦合的结果，这一般导致薄弱焊件或没有焊件。

现在铜与其它光亮金属(诸如，金和银)的激光焊接的较佳方法涉及使用以可见绿波长发射的激光器。最常见的激光器是以532nm发射的频率加倍的 1064nm激光器。这是因为光亮金属在532nn的反射率通常显著低于在近红外波长处。光亮金属与此类激光器的激光接合产生可重复和一致的焊件，但以与频率加倍相关联的效率、复杂性和与频率的成本为代价。在一些应用中，将532 nm处发射的激光器与1064nm处的第二激光器结合以增加效率和生产率是必要的。此类双波长系统要求使用复杂的光束监视和实时分析以便分析和定制焊件的结构的激光焊接工艺的闭环监视。此类诊断设备使用背反射光以及焊池特性的视频分析以便向激光器控制器提供反馈。这些系统是复杂的和昂贵的。

已经采用了使用绿色激光器来执行光亮金属的焊接接合，无需特别解决接合不同金属的应用。不同金属的常规焊接依赖于对界面处金属的稀释以及结果所得热状况的特定控制以将导致接头中的所谓的金属间化合物的不同金属的混合最小化。大的金属间化合物区域易于因作用于接头上的应力断裂，并且该断裂传播通过整个接头直到发生故障。

具有连续波和脉冲激光的激光焊接是已知的，其具有或连续焊件前端，或交叠点焊，其中该焊件形成连续接缝。由焊接工艺导致的材料中的缺陷造成了薄弱，并且在大部分应用中是不可接受的。脉冲焊件通常使用微秒和毫秒脉冲来形成，从而生成再固化以形成焊件的熔化。当焊接不同材料时，焊件界面可包含金属间化合物，该金属间化合物是由被接合的两种材料形成并且通常本质上是易碎和不期望的化合物，并且该焊件因此可沿该金属间化合物层破裂。

对用于在接头界面中不导致问题的情况下接合光亮和不同金属和合金的更简单方案存在需要。该方法应该能够在每个接头上产生一致的和可预测结果。结果所得的焊件应该没有与金属间化合物相关联的可靠性问题。

对避免上述问题的用于激光焊接的装置和方法存在需要。

实用新型内容

根据本实用新型的非限定实施例，提供了一种用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置，该装置包括：以激光脉冲形式发射激光束的激光器，用于相对于第一金属部件的金属表面移动激光束的扫描仪，将激光脉冲聚焦到金属表面上的物镜，以及控制器，其控制扫描仪从而扫描仪相对于金属表面移动激光束以形成多个经聚焦光斑，其特征在于，该装置用使在第一金属部件中形成多个熔池并在第二金属部件中形成热桩的光斑大小和脉冲通量来聚焦激光脉冲，每个热桩从熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端，并且控制器将经聚焦光斑分开小到足以使熔池交叠并且大到足以确保热桩的远端在至少一个方向上彼此区别且分开的距离。

本实用新型是特别有吸引力的，因为可从两种不同的金属形成焊件，其中一种可以是光亮金属，并且可通过材料与激光束之间的直接交互来形成焊件。这些金属也可具有不同的熔点。结果所得的焊件是强健的、可重复的、可以是导电的，并且没有由金属间化合物导致的薄弱。

本实用新型还提供一种用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的方法，该方法包括：将第一金属部件置于第二金属部件上；提供用于以激光脉冲形式发射激光束的激光器；提供用于相对于第一金属部件的金属表面扫描激光束的扫描仪；提供用于将激光脉冲聚焦到金属表面上的物镜；提供控制器，该控制器被适配成控制扫描仪从而扫描仪相对于金属表面移动激光束，用使在第一金属部件中形成多个熔池并且在第二金属部件中形成热桩的光斑大小和脉冲通量来聚焦激光脉冲，其中每个热桩从熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端，并且适配控制器以将经聚焦光斑分开小到足以使熔池交叠并且大到足以确保热桩的远端在至少一个方向上彼此区别且分开的距离。

由本实用新型的装置或方法形成的激光焊件可以是自生的。

热桩可具有至多为其深度一半的宽度。

第一金属部件可被涂覆。

第一金属部件可包括多个层。

第二金属部件可包括多个层。

第一金属部件和第二金属部件可由相同金属形成。

第一金属部件和第二金属部件可由不同金属形成。

第一金属部件可包括铜或铜合金。

第一金属部件可包括选自由包括以下的组的金属：铜、铝、金、银、铂、镍、钛、不锈钢以及包含前述金属之一的合金，诸如青铜、黄铜、镍钛、以及非晶合金。

第一金属部件可具有大于80％的反射率。

第一金属部件可在暴露于10mJ或更少的脉冲能量时熔化。

金属可以是铝。

第一金属部件可包括铜。第二金属部件可包括镀镍钢。

第一金属部件可包括铝。第二金属部件可包括钢。

第一金属部件在焊件的区域中可具有不超过2mm的厚度。厚度可小于 1mm。厚度可小于0.5mm。

第一金属部件的杨氏模量可小于第二金属部件的杨氏模量。

第一金属部件可包括第一金属而第二金属部件可包括第二金属，并且第一金属可比第二金属实质上更可塑。

热桩可以是螺旋形式。

本实用新型还提供了一种包括焊接至第二金属部件时的第一金属部件的制品，其中焊件包括第一金属部件中的多个熔池以及第二金属部件中的多个热桩，其特征在于，每个热桩从熔池中的不同一个熔池延伸并且具有远端，熔池交叠，并且热桩的远端在至少一个方向上是彼此区别和分开的。

本实用新型还提供了当根据本实用新型的方法焊接时的制品。

制品的示例是饮料罐、饮料罐上的标签、移动电话、平板计算机、电视机、机械以及珠宝。

附图说明

现在仅通过示例并且参照附图描述本实用新型的各实施例，附图中：

图1示出了用于在根据本实用新型的方法中使用的装置；

图2示出了脉冲激光波形；

图3示出已被聚焦至表面上的激光束；

图4示出了热桩；

图5示出了用涂层涂覆的第一金属部件；

图6示出了包括多个层的第一金属部件；

图7示出了不是根据本实用新型的现有技术中的焊件；

图8示出了根据本实用新型的包括热影响区的焊件；

图9示出了以焊接至第二金属部件的标签形式的第一金属部件；

图10示出了螺旋形式的焊接轨迹；

图11示出了包括个体热桩的螺旋形式的焊件；

图12示出了使用三个焊件接合至第二金属部件的第一金属部件；

图13示出了脉冲通量相对于所吸收的能量密度的示图；

图14示出了键孔焊件；

图15示出了连续螺旋形式的焊件；

图16示出了两个分开的经聚焦激光光斑；以及

图17示出了两个交叠的经聚焦激光光斑。

具体实施方式

图1示出了用于将第一金属部件1激光焊接至第二金属部件2的装置，该装置包括激光器3、扫描仪4、物镜5和控制器12。激光器3以激光脉冲21 形式发射激光束6。激光束6被示出为经由光纤电缆14和准直光学元件15被递送至扫描仪4。准直光学元件15扩展和准直激光器6并将激光束6输入至扫描仪4。扫描仪4用于相对于第一金属部件1的金属表面7移动激光束。物镜 5将激光束6聚焦到金属表面7上。控制器12控制扫描仪4从而扫描仪相对于金属表面7移动激光束6以在金属表面7上形成多个经聚焦光斑。

如参照图2所示，激光脉冲21的特征可为瞬时峰值功率22、平均功率23、脉冲形状24、脉冲能量25、脉冲宽度26以及脉冲重复频率F_R 27。重要的是，选择激光器1从而可获得足够的峰值功率22以克服金属表面7的反射，从而确保达成脉冲能量25与金属表面7的充分耦合以熔化金属表面7。

图3示出了光斑31，其具有通过将激光束6聚焦到金属表面7上形成的光斑大小34。光学强度32是激光束6的每单位面积的功率。光学强度32跨光斑31的半径从其中心的峰值强度39变化为1/e²强度33并且变化为零。光斑大小34一般被取为光斑31的1/e²直径，该1/e²直径是光学强度32在峰值强度39的任一侧上降至1/e²强度33的直径。光斑31的面积35一般被取为1/e²直径内光斑31的截面积。

脉冲通量36被定义为光斑31在表面7上的每单位面积的能量。脉冲通量通常以J/cm²来测量，并且对于激光焊接是重要参数，因为焊件品质受脉冲通量36的高度影响。针对特定焊件的最佳脉冲通量36在不同材料和材料厚度之间变化。用于焊接金属工件的最佳脉冲通量36可通过实验来确定。

再次参照图1，该装置用使在第一金属部件1中形成多个熔池19并在第二金属部件2中形成热桩17的光斑大小34和脉冲通量36来聚焦激光脉冲21。每个热桩17从熔池19中的一个不同熔池延伸并且具有远端101。控制器12 控制扫描仪4从而经聚焦光斑16被分隔开小到足以使得熔池19交叠并且大到足以确保热桩17的远端101在至少一个方向108上彼此区别和分开的距离18。

每个热桩17由脉冲21中的至少一个脉冲形成，脉冲21的数量取决于脉冲通量36。10到100个脉冲21通常被用于具有1mJ脉冲能量25的激光器。经聚焦光斑16的中心之间的距离18将近似于相应的热桩17的中心之间的距离。控制器12可使扫描仪4在热桩17中的每一者的形成期间保持经聚焦光斑 16静止。替换地，控制器12可使扫描仪4在热桩17中的每一者的形成期间抖动经聚焦光斑16，较佳地抖动小于距离18的量。距离18通常为20μm到150 μm，并且较佳地为40μm到100μm。

交叠的熔池19和热桩17形成复合焊件100。为了清楚，图1在三维描绘内在截面图中将经聚焦光斑16示为黑色圆圈，并且示出了焊件100。熔池19 被示为其间没有边界地熔化在一起，且界面被示为在熔池19与热桩17之间。冶金学研究已经证明熔池19和热桩17两者都可包括来自第一金属部件1和第二金属部件2两者的材料。可达成金属的良好混合。在熔池19与热桩17之间一般没有良好限定的边界。热桩17的远端101被示为以尖端为端点。然而，并不必然如此；远端101可实质上是弯曲的，并且可被碎片化，从而它们具有超过一个端点。

连续的经聚焦激光光斑16可被分开(如图16中所示)，从而激光光斑 16的中心之间的间隔161大于光斑大小34。替换地，连续的经聚焦激光光斑 16可交叠(如图17中所示)，从而间隔161小于光斑大小34。在图16和17 中，经聚焦激光光斑16可表示单个激光脉冲21或多个激光脉冲21。

藉由“彼此区别的和分开的”，意指热桩17的远端101在所有方向上不形成实质上平滑的焊接；热桩17可在至少一个方向108上至少部分地彼此分开。替换地，热桩17可实质上平行于金属表面7在所有方向上至少部分地彼此分开。藉由“焊件”，意指通过焊接或接合制作的连接。

保护气体106可从气体供应107被应用在焊件100上以阻止焊件100氧化或保持焊件100清洁。保护气体106可以是氩、氦、氮、或激光焊接领域通常使用的其它气体。保护气体106可以是前述气体的混合物。气体供应107可包括气体瓶、喷嘴、和流控调节器。

焊件100在热桩17的远端101处具有实质上凹凸不平的表面。这与认为焊件的平滑远端是有利的常规焊接实践形成直接对比。不平滑的焊件线路被认为在现有技术中引起关注。

该装置是较佳的，从而激光脉冲21与用于控制扫描仪4的控制信号13 同步。这可通过将同步信号用于控制器12，或者通过适配控制器12从而控制器还控制激光器3来达成。

扫描仪4可以是图1中示出的检流计扫描头。替换地或附加地，扫描仪4 可以是可移动的二维或三维转换级，或者机械臂。扫描仪4被示为包括第一镜 8和第二镜9，第一镜8用于在第一方向10上移动激光束6，第二镜9用于在第二方向11上扫描激光束6。第一和第二镜8、9一般附接于检流计(未示出)。扫描仪4和物镜5可以是本领域技术人员已知的处理光学器件的一部分。该处理光学器件可具有类似瓷砖镜(tiled mirror)的附加光学元件、附加聚焦控件和/或光束成形光学器件。

激光器3可以是光纤激光器、固态棒状激光器、固态盘激光器、或者诸如碳氧化物激光器这样的气态激光器。激光器3可以是纳秒激光器。激光器3较佳地是稀土掺杂纳秒脉冲光纤激光器，诸如掺镱光纤激光器、掺铒(或掺铒镱) 光纤激光器、掺钬光纤激光器、或掺铥光纤激光器。这些激光器分别发射1μm、 1.5μm、2μm和2μm波长窗口的激光辐射。藉由纳秒脉冲激光器，意指能发出具有脉冲宽度26在1ns到1000ns范围中的脉冲的激光器。此类激光器还可以能够发出更短的脉冲，以及更长的脉冲，并且还可以能够发出连续波辐射。此类激光器不同于现有技术中常规上用于焊接的毫秒激光器。毫秒激光器一般可通过发射单个脉冲来形成焊件。

现在将仅通过示例并且参照图1来描述根据本实用新型的以及用于将第一金属部件1激光焊接至第二金属部件2的方法。该方法包括：将第一金属部件1置于第二金属部件2上；提供用于以激光脉冲21形式发射激光束6的激光器3；提供用于相对于第一金属部件1的金属表面7移动激光束6的扫描仪 4；将激光束6聚焦到金属表面7上；提供被适配成控制扫描仪4从而扫描仪4 相对于金属表面7移动激光束6的控制器12，配置该装置以用使在第一金属部件1中形成多个熔池19并在第二金属部件2中形成热桩17的光斑大小34和脉冲通量36来聚焦激光脉冲21，其中每个热桩从熔池中的一个不同熔池延伸并且具有远端101，并且适配控制器4以将经聚焦光斑16分开小到足以使熔池 19交叠并且大到足以确保热桩17的远端在至少一个方向108上彼此区别且分开的距离18。

该方法可包括提供保护气体106和气体供应107并将保护气体106应用于焊件100之上的步骤。保护气体106可以是氩、氦、氮、或激光焊接领域通常使用的其它气体。保护气体106可以是前述气体的混合物。气体供应107可包括气体瓶、喷嘴、和流控调节器。

以下，将对“反射金属”进行频繁参照，其意指在处理第一金属部件1 的温度处、在激光器3的发射波长102处反射率大于80％的金属。

由本实用新型的装置或方法形成的激光焊件100可以是自生 (autogenous)的，即未添加除了第一和第二金属部件1、2以外的其它材料以形成焊件。

第一金属部件1在焊件100的区域中可具有不超过5mm的厚度104。厚度104可小于2mm。厚度104可小于1mm。厚度104可小于0.5mm。第二金属部件2在焊件100的区域中可具有厚度105。厚度105可小于100μm。厚度105可小于0.5mm。

参照图4，热桩17可具有至多为其深度42一半的宽度41。这是有利的，因为它允许热桩17进一步穿透并且可允许第一金属部件1更好地紧握第二金属部件2。

如图5中所示出，第一金属部件1可包括用涂层52涂覆的金属部件51。涂层52可以是金属镀层，诸如镍或铬，或者可以是由诸如阳极电镀的工艺形成的化学诱导涂层。涂层52可以是聚合物涂层。

第一金属部件1可包括多个层61，如参照图6所示。多个层61可以是相同金属的折叠片、相同金属的层、或者不同金属的层。替换地或附加地，第二金属部件2可包括多个层62。多个层62可以是相同金属的折叠片、相同金属的层、或者不同金属的层。层61可包括与层62相同的金属，或不同的金属。焊件100被示为将第一金属部件1接合至第二金属部件2。焊件100被示为部分地穿透第二金属部件2。

图7示出了第一金属部件1与第二金属部件2之间的使用现有技术包括例如，用使用100mJ或更大的单个高能量脉冲的绿色激光器进行激光焊接的激光焊件70。焊件70具有比参照图1示出的个体熔池19之一加上其相关联的热桩17大得多的质量，并且因此花费更长的时间段来冷却。这导致焊池75中的金属混合、相关联的边界层71的形成、以及围绕焊件70的受热影响但其中金属尚未流动的区域(所谓的热影响区(HAZ)72)。作为热学热回火的结果，热影响区72的机械性质可被实质上降级，其回火一般应该最小化。热影响区 72在第一金属部件1的顶表面73和第二金属部件2的底表面74两者上一般是可见的(例如，在用酸蚀刻以后)。

当焊接钢与钢时，边界层71可导致沿晶界界面形成碳，由此提供用于使焊件100断裂的通路。类似地，当焊接不同金属时，边界层71可包括具有反映从熔化到凝固的冷却时间的晶粒结构的金属间化合物。此种金属间化合物本质上通常是易碎的，并且因此代表焊件70中的薄弱点。因此，大边界层71和热影响区72的存在在或相似金属的焊接或不同金属的焊接中是不期望的。

无论从相似金属还是不同金属形成焊件70，包括焊池75的材料的机械性质很可能比包括第一金属部件1和第二金属部件2的基底材料的性质更弱。如果热影响区72影响第一和第二金属部件1、2的外观或化学组成，则它们也是要关注的。

当焊接薄片金属时，与金属间化合物层71和热影响区72相关联的问题增加。涉及焊件冷却所花费的时间的其它问题包括对涂层，诸如第一和第二金属部件1、2上的聚合物的损坏。

图8描绘了图1中示出的焊件100的俯视图。热影响区81通常是可见的 (可能在化学蚀刻之后)。然而，在参照图2和3所示地适当选择了激光器1 和激光脉冲参数的情况下，一般在底表面上没有可见热影响区。这是因为热桩 17各自具有比焊件70显著更小的质量，并且因此更快地冷却。类似地，围绕热桩17有极少或没有金属间化合物层71的迹象。通过第二金属部件2延伸的金属间化合物层以及热影响区的缺少提供了相比现有技术的焊接技术的更大优势。

图9中示出的第二金属部件2可包括用涂层93涂覆的金属部件92。涂层 93可以是金属镀层，诸如镍或铬，或者可以是化学诱导涂层，诸如阳极电镀。第一金属部件1可以是标签91，诸如在饮料罐中找到的。标签91被示为用焊件100焊接至第二金属部件2。

饮料罐通常由厚度小于250μm的薄铝片制成。在饮料罐中，涂层93将是通常在形成焊件100之前应用的聚合物涂层。重要的是，形成焊件100的方法不降级涂层93。本实用新型的装置和方法藉由参照图1示出的热桩17达成了这一目的，因为与现有技术的焊件相比，在第二金属部件2中生成更少的热。

再次参照图1，第一金属部件1和第二金属部件2可由相同金属形成。该金属可以是铝或铜、或其合金。替换地，第一金属部件1和第二金属部件2可由不同金属形成。

第一金属部件1可包括铜或铜合金。

第一金属部件1可包括选自由包括以下的组的金属：铜、铝、金、银、铂、镍、钛、不锈钢以及包含前述金属之一的合金，诸如青铜、黄铜、镍钛、以及非晶合金。

第一金属部件1在由激光器3发射的波长(λ)102处可具有大于80％的反射率。图1示出了波长102为1060nm；这旨在是非限定性的。镱脉冲光纤激光器对于用作激光器3是尤其有吸引力的；这些激光器在从约1030nm到约 1100nm的波长范围中发射。激光器3也可以是掺铒或铒镱共掺光纤激光器，其各自在约1550n处发射，或者是在约2000nm处发射的掺钬或掺铥光纤激光器。使用在1500nm和2000nm处发射的激光器提供了在某些应用中重要的眼睛安全优势。还有许多其它的在近红外波长中发射的激光器类型。

光斑大小34可以是25μm到100μm，并且较佳地为30μm到60μ m。

第一金属部件1可在暴露于10mJ或更少的脉冲能量25时熔化。脉冲能量25可以是4mJ或更小。脉冲能量25可以是1mJ或更小。脉冲能量可以是 100μJ或更小。脉冲能量可以是10μJ或更小。较厚的材料要求比较薄的材料更大的脉冲能量25。

第一金属部件1可包括铜。第二金属部件2可包括镀镍钢。

第一金属部件1可包括铝。第二金属部件2可包括钢。

第一金属部件1可由小于第二金属部件2的杨氏模量的杨氏模量来定义。

第一金属部件1可包括第一金属而第二金属部件2可包括第二金属。第一金属的杨氏模量可小于第二金属的杨氏模量。有利地，第一金属可比第二金属实质上更可塑。如果焊件100被重复拉紧具有重要的优势，因为热桩17将对导致故障的金属疲劳更具抵抗力。

热桩17较佳地在非线性的线中形成，以增加焊接100的剪切强度。例如，热桩17可如参照图10所示地以螺旋形110的形式形成。螺旋形110通过使控制器12在螺旋形110形式的轨迹中、并且具有如螺旋形内部所示的第一位置 111、以及如螺旋形外部所示的第二位置112移动激光束6来形成。螺旋形轨迹117从第一位置111开始一般是较佳的，但是可替换地从第二位置112开始。图11示出了通过结果所得焊件116的横截面，该横截面在交叠的熔池19之下，如参照图1所示。如参照图16所示，连续的经聚焦光斑16分开大于光斑大小 34的距离161。激光器3在每个经聚焦光斑16上被脉冲化至少一次是优选的，但是较佳地在10到100次之间。藉由该手段，非常精确地控制被注入到焊件 116的每个部件中的热的量是可能的，由此允许焊件116的强度被最优化。从第一位置111还是第二位置112开始的选自可从结果所得焊件116的强度经验地确定。在图11中，距离113被示为在两个热桩17的中心之间，而距离114 在毗邻的臂115的中心之间。距离113可小于100μm、小于75μm，并且优选地小于50μm。距离114可小于250μm、小于200μm，小于150μ m，并且优选地小于100μm。距离113、114的优化可经验地通过测量物理参数，诸如剥离强度、剪切强度和电接触电阻来达成。

图12示出了用三个焊件100将第一金属部件1焊接至第二金属部件2。参照图11所示，焊件100可以是螺旋形焊件116。焊件100可藉由0.5与2mm 之间，并且较佳地在0.75与1.5mm之间的直径122。通过使用多个焊件100，获得更大的强度和硬度。

图13示出了脉冲通量36和所吸收的能量密度133的示图，其中所吸收的能量密度133是由第一和第二金属部件1、2在激光脉冲21的每单位表面面积上吸收的总脉冲能量25。为了参照图1所示地初始化焊件100，使用至少等于第一脉冲通量阈值131的脉冲通量36是必要的。这是为了发起激光束6与金属表面7的耦合，以及金属表面7的熔化。一旦金属表面7已经开始熔化，则其余的脉冲21应该具有至少等于第二脉冲通量阈值132的脉冲通量。第二脉冲通量阈值132可实质上小于第一脉冲通量阈值131。对于具有高反射率的第一金属部件1，即，激光束6的波长处的反射率大于80％，第二脉冲通量阈值 132可2到10倍地小于第一脉冲通量阈值131。随着每个脉冲121被吸收，它们对所吸收的能量密度133作出贡献。在经聚焦位置16的每个位置处吸收的所吸收能量密度133应该至少等于激光器熔埋植螺丝17开始穿透第二金属部件2的第一能量密度阈值134，但是小于焊件100变得不能接受地易碎的第二能量密度阈值135。可看到，参照图2和3所示地改变脉冲参数，脉冲数量、经聚焦光斑16之间的距离18，与现有技术中的技术相比，对于焊件100有更大的可控性，并且对于其信息并且因此对其机械性质有更大的控制。

图14示出了将第一金属组件1接合至第二金属组件2的键孔焊件140。在该过程中，激光束6不仅熔化第一和第二金属部件1、2以形成熔化金属143，而且产生了蒸汽(未示出)。耗散的蒸汽在熔化的金属143上施加压力，并且部分地取代它。结果是称为键孔141的又深又窄的蒸汽填充孔。此种过程可包含在在本实用新型的装置和方法中形成热桩17中。

键孔141被熔化金属143包围，并且随激光束6在激光束6扫描的方向 142上移动。随着键孔141移动，熔化金属143在键孔141之后固化，从而形成了焊件缝隙144。焊件缝隙是又深又窄的。参照图15所示，焊件深度145 可高达大于焊件宽度151的10倍。激光束6在键孔141中被高效地吸收，因为它被反射多次。

本实用新型的装置和方法扩展至热桩17形成连续焊件156的情形，如参照图15所示。这里，控制器12已经控制扫描仪4在参照图10所示的螺旋形 110中扫描激光束6，从而参照图17所示的连续经聚焦光斑16交叠。经聚焦光斑16已经导致热桩17在螺旋形臂115的方向上连续，但是在径向方向157 中至少部分分开。径向方向157可以是图1中的方向108。如由图1中的横截面所示，熔池19交叠是较佳的。参照图1和12示出的焊件100可以是图15 的连续焊件156。焊件100可用参照图14描述的键孔141来形成。

现在将参照图1描述的装置和方法以及以下提出的非限定示例来描述本实用新型的方法。激光器3是由英国南安普敦的SPI Lasers UK Ltd制造的模型SPI G4 70 EP-Z纳秒掺镱光纤激光器。激光器3是对图2中示出的激光器参数，即峰值功率22、平均功率23、脉冲形状24、脉冲能量25、脉冲宽度26 和脉冲重复频率F_R27具有极好控制的主振荡器功率放大器。扫描仪4是由德国慕尼黑的Raylase制造的具有10mm光束孔径的检流计扫描仪模型超级扫描 II(未示出)。控制器12包括具有其上有德国慕尼黑的SCAPS GmbH授权的、用于编程、存在和存储用于扫描仪4操纵激光束6的代码的SCAPS扫描仪应用软件的Windows 8操作系统的台式计算机。透镜5是163mm焦距长度的F-theta透镜。准直仪15具有75mm聚焦长度。透镜5、准直仪15和扫描仪4被配置成在第一金属部件1的表面7上形成和转换具有光斑大小34为40 μm且面积35为1.256×10^-5cm²的经聚焦光斑16的激光束6。

示例1

参照图1，第一金属部件1是150μm厚度的铜级C110，而第二金属部件 2是500μm厚度的铝级5052。遵循实验以确定峰值功率22、脉冲形状24、脉冲能量25、脉冲宽度26、以及脉冲通量36，决定以50mm/s的线性速度在金属表面7上并且以连续经聚焦光斑16之间的距离161(参照图17所示)为0.7 μm(测量的中心到中心)来扫描激光束6。这对应于70kHz的脉冲重复频率 27。恰适的控制参数随后被馈入到控制器12中并且激光器3因此建立，激光束6重复地以70kHz的脉冲重复频率27来脉冲化，并且参照图10所示地在螺旋形110中在金属表面6上扫描。螺旋形用50mm/s的线性速度来形成。螺旋形110的总长度为15.8mm，并且从第一位置111到第二位置112来形成。焊件100的直径122是1mm。脉冲宽度26在全宽度半最大值FWHM处是115 ns而在10％的瞬时峰值功率22处是520ns。在平均功率23为70W并且峰值功率22为5kW的情况下，总脉冲能量25是1mJ。在脉冲通量36为79.6J/cm²的情况下，每个激光脉冲21具有3.98×10⁺⁸W/cm²的峰值功率密度。保护气体混合物106使用50％的氩和50％的氦，它们从焊件100上的6mm直径铜喷嘴107以每小时10立方英尺通过流控调节器来提供。形成的焊件100是图15中示出的类型。热桩17沿螺旋形形成连续线，并且至少部分地跨螺旋形在径向(对应于图1中示出的方向108)分开。焊池19是跨焊件100的整个表面面积连续的，尽管如图1中所示，焊件100的表面不平滑。焊件100的观察显露了其顶表面103上的铝着色，从而指示铝已经在焊件中熔化。观察到焊件100 对于其大小极为强壮。

示例2

参照图12，第一金属部件1是150μm厚度的铜级C110，而第二金属部件2也是150μm厚度的铜级C110。在实验之后，确定可使用相同的工艺参数，如参照示例1所述。观察到结果所得的焊件3对于其大小是极为强壮的。

示例3

参照图12，第一金属部件1是250μm厚度104的不锈钢级304，而第二部件2是250μm厚度105的规格不锈钢304。遵循实验以确定峰值功率22、脉冲形状24、脉冲能量25、脉冲宽度26、以及脉冲通量36，决定以225mm/s 的线性速度在金属表面6上并且以连续经聚集光斑16之间的距离161(参照图 17所示)为0.225μm(测量的中心到中心)来扫描激光束6。这对应于1MHz 的脉冲重复频率27。恰适的控制参数随后被馈入到控制器12中并且激光器3 因此建立，激光束6重复地以1MHz的脉冲重复频率27来脉冲化，并且参照图10所示地在螺旋形110中在金属表面6上扫描。螺旋形110用225mm/s的线性速度来形成。螺旋形110从第一位置111到第二位置112形成。焊件100 的直径122是1mm。脉冲宽度26在全宽度半最大值FWHM处是9ns而在10 ％的瞬时峰值功率22处是9ns。在平均功率23为70W并且峰值功率22为8 kW的情况下，总脉冲能量25是7μJ。在脉冲通量36为5.6J/cm²的情况下，每个激光脉冲21具有6.36×10⁺⁸W/cm²的峰值功率密度。保护气体混合物 106使用50％的氩和50％的氦，它们从焊件100上的6mm直径铜喷嘴107以每小时10立方英尺通过流控调节器来提供。形成的焊件100是图15中示出的类型。热桩17沿螺旋形形成连续线，并且至少部分地跨螺旋形在径向(对应于图1中示出的方向108)分开。焊池19是跨焊件100的整个表面面积连续的，尽管如图1中所示，焊件100的表面不平滑。由于使用的不同参数，焊件100 类似于传统的搭接焊件，具有极好的金属混合，但是几乎可忽略不计的热影响区72(参照图7示出)。然而，连续热桩17的确从焊件延伸，从而导致如图 1中所示的跨焊件100的直径157的不均匀表面。然而，然而17从焊件100 的延伸实质上分别对于示例1和2的铜铝和铜铜焊件很少观察到。观察到焊件 100对于其大小极为强壮。

应当理解，以上参照附图所述的本实用新型的各实施例已经仅通过示例给出，可以提供修改及附加的步骤和组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本实用新型的所有方面中。本实用新型扩展至单独或组合示出的上述特征。

Claims

1.一种用于将第一金属部件激光焊接至第二金属部件的装置，其特征在于，所述装置包括：

纳秒激光器，所述纳秒激光器以激光脉冲形式发射激光束，

耦合至所述纳秒激光器的扫描仪，用于将所述激光束相对于所述第一金属部件的金属表面移动，以及

耦合至所述扫描仪的控制器，所述控制器控制所述扫描仪。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括耦合至所述扫描仪的物镜。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括气体供应。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述气体供应包括气体瓶、喷嘴、和流量控制调节器。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器是稀土掺杂纳秒脉冲光纤激光器。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器是主振荡器功率放大器。