激光焊接方法
阅读：62发布：2020-05-13
专利汇可以提供激光焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 激光 焊接 方法，包括以下步骤：通过激光照射对 工件 的待 焊接区域 进行预处理，预处理完毕后所述工件的待焊接区域表面形成一层 氧 化层；对所述预处理后的工件进行 激光焊接 。上述激光焊接方法，使得工件的待焊接区域反射率明显降低，提高了材料对激光的吸收率，大大减小了 能量 的损耗；工艺简单，成本低廉，无需借助其他材料实现工件的待焊接区域的氧化，因此减少了杂质粒子的引入，保证了焊接强度；可采用较低功率的 激光器 对工件进行焊接，在高反射率材料的焊接、封装等领域有着广阔的应用前景。，下面是激光焊接方法专利的具体信息内容。
1.一种激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理，预处理完毕后在所述工件的待焊接区域表面形成一层氧化层；及
对所述预处理后的工件进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为10μm～
50μm。
3.根据权利要求2所述的激光焊接方法，其特征在于，所述通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理包括以下步骤：
对所述工件的待焊接区域进行定位；
利用第一激光器对所述工件的待焊接区域进行扫描，扫描完毕后在所述工件的待焊接区域表面形成一层氧化层；及
清除所述氧化层表面的污垢，并用溶剂进行擦拭。
4.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第一激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光器的发射激光的波长为355nm～1064nm，脉冲宽度为纳秒或纳秒以下量级。
5.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于，所述利用第一激光器对所述工件的待焊接区域进行扫描的过程中，所述第一激光器的输出功率为30W～50W，扫描速度为
5m/s～10m/s，光斑大小为50～80μm。
6.根据权利要求3所述的激光焊接方法，其特征在于，所述通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理的过程中，通过CCD图像系统和扫描振镜控制氧化路径和氧化深度。
7.根据权利要求1～6任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述对所述预处理后的工件进行激光焊接包括以下步骤：
将所述预处理后的工件固定；及
在惰性气体氛围下，利用第二激光器沿所述工件的氧化层进行焊接。
8.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，所述第二激光器的功率为
200W～1000W。
9.根据权利要求7所述的激光焊接方法，其特征在于，所述利用第二激光器沿所述工件的氧化层进行焊接时，焊接速度为3mm/s～5mm/s，离焦量为0mm～+5mm。
10.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述工件包括铜制工件和铝制工件。
激光焊接方法
技术领域
背景技术
[0002] 由于铝、铜等材料对波长1064nm的激光的反射率高于90％，要实现铝、铜等高反射率材料的焊接一直是一个难题。一般需要千瓦级以上的激光器才能实现铝、铜等高反射率材料的焊接，不仅会造成能量的极大浪费，而且如果焊接角度控制不当，会导致反射光直接进入激光头，损伤光学系统。
发明内容
[0003] 本发明提供一种能提高材料对激光吸收率的激光焊接方法。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 一种激光焊接方法，包括以下步骤：
[0007] 对所述预处理后的工件进行激光焊接。
[0008] 在其中一个实施例中，所述氧化层的厚度为10μm～50μm。
[0009] 在其中一个实施例中，所述通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理包括以下步骤：
[0010] 对所述工件的待焊接区域进行定位；
[0011] 利用第一激光器对所述工件的待焊接区域进行扫描，扫描完毕后在所述工件的待焊接区域表面形成一层氧化层；及
[0012] 清除所述氧化层表面的污垢，并用溶剂进行擦拭。
[0013] 在其中一个实施例中，所述第一激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光器的发射激光的波长为355nm～1064nm，脉冲宽度为纳秒或纳秒以下量级。
[0014] 在其中一个实施例中，所述利用第一激光器对所述工件的待焊接区域进行扫描的过程中，所述第一激光器的输出功率为30W～50W，扫描速度为5m/s～10m/s，光斑大小为50～80μm。
[0015] 在其中一个实施例中，所述通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理的过程中，通过CCD图像系统和扫描振镜控制氧化路径和氧化深度。
[0016] 在其中一个实施例中，所述对所述预处理后的工件进行激光焊接包括以下步骤：
[0017] 将所述预处理后的工件固定；及
[0018] 在惰性气体氛围下，利用第二激光器沿所述工件的氧化层进行焊接。
[0019] 在其中一个实施例中，所述第二激光器的功率为200W～1000W。
[0020] 在其中一个实施例中，所述利用第二激光器沿所述工件的氧化层进行焊接时，焊接速度为3mm/s～5mm/s，离焦量为0mm～+5mm。
[0021] 在其中一个实施例中，所述工件包括铜制工件和铝制工件。
[0022] 本发明的有益效果如下：
[0023] 本发明的激光焊接方法，在对工件进行激光焊接之前，先对工件的待焊接区域进行预处理，使工件的待焊接区域表面形成一层氧化层。当第一激光器发射的激光打到工件的待焊接区域表面时，由于激光的热量较高，会使工件的待焊接区域表面发生氧化反应，形成氧化层；并且，当激光打到工件的待焊接区域表面时，工件表面会有部分粒子被激光溅射出去或在高温下气化，因此，经第一激光器扫描后，工件的待焊接区域表面会形成一些微细结构，增加工件的待焊接区域表面的粗糙度。一般地，金属薄膜的反射率高于对应金属氧化物薄膜的反射率，且粗糙度越高，反射率越低。因此，经预处理后，大大降低了工件的待焊接区域的反射率，提高了材料对激光的吸收率。同时，由于工件的待焊接区域反射率降低，可采用较低功率的激光器对工件进行焊接，本发明的激光焊接方法在铜、铝等高反射率材料的焊接、封装等领域有着广阔的应用前景。附图说明
[0024] 图1为一实施例的激光焊接方法所使用装置的结构示意图。
具体实施方式
[0025] 下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0026] 本发明提供了一种激光焊接方法，适用于金属材料制成的工件的焊接，尤其适用于铜、铝等高反射率材料制成的工件的焊接，该激光焊接方法可显著提高工件对激光的吸收率，解决了对高反射率材料进行焊接时需使用千瓦级以上激光器的问题。
[0027] 本发明的激光焊接方法包括以下步骤：
[0028] S100：通过激光照射对工件的待焊接区域进行预处理，预处理完毕后在工件的待焊接区域表面形成一层氧化层。
[0029] 本发明中，在进行激光焊接之前，首先对工件的待焊接区域进行预处理，该预处理过程通过激光照射完成。预处理后，工件的待焊接区域表面形成一层氧化层。一般地，工件为金属材料制成，而大多数金属氧化物的颜色较相应的金属的颜色要深；一般情况下，工件的颜色越深，反射率越低，因此，经预处理后，工件的待焊接区域反射率降低，吸收率增加。
[0030] 当第一激光器发射的激光打到工件的待焊接区域表面时，由于激光的热量较高，会使工件的待焊接区域表面发生氧化反应，形成氧化层；并且，当激光打到工件的待焊接区域表面时，工件表面会有部分粒子被激光溅射出去或在高温下气化。因此，经第一激光器扫描后，工件的待焊接区域表面会形成一些微细结构，增加工件的待焊接区域表面的粗糙度。一般地，金属薄膜的反射率高于对应金属氧化物薄膜的反射率。例如，当工件由铜、铝等高反射率的材料制成时，氧化铝或氧化铜的反射率小于铝或铜的反射率，因此，氧化层可降低工件的待焊接区域的反射率；而微细结构增加了工件表面的粗糙度，粗糙度越高，反射率越低，因而，微细结构进一步降低了工件的待焊接区域的反射率。
[0031] 本步骤中，氧化层的厚度(即氧化深度)根据具体的工件及焊接要求而定。一般地，待焊接工件越厚，要求的焊接强度越高，氧化层也相应地越厚。较佳地，氧化层的厚度为10μm～50μm，该厚度不仅能有效降低反射率，且工艺简单、容易实现。
[0032] 优选地，通过激光照射的方式对工件的待焊接区域进行预处理包括如下步骤：
[0033] S110：对工件的待焊接区域进行定位。
[0034] 该步骤的作用是确定焊接的具体位置，较佳地，待焊接区域的定位通过CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合原件)图像系统来实现。具体方法如下：
[0035] 首先，找到激光焦点相对于CCD图像中心(一般有带刻度的十字线)的坐标(X0，Y0)；而后，通过移动工件所在的工作台，使工件的待焊区域的中心点与CCD图像中心点(一般为十字线中心)完全重合，再移动工作台至相对位置(X0，Y0)处，即完成了对待焊接区域的定位。
[0036] S120：利用第一激光器对工件的待焊接区域进行扫描，扫描完毕后在工件的待焊接区域表面形成一层氧化层。
[0037] 本步骤中，第一激光器优选为脉冲激光器，发射激光的波长为355nm～1064nm，脉冲宽度小于等于纳秒量级。脉冲激光器可实现对工件扫描路径(即氧化路径)的精确控制，仅在待焊接区域进行扫描，避免对工件的其他部位造成损伤。
[0038] 在其中一个实施例中，在对工件的待焊接区域进行扫描的过程中，脉冲激光器的输出功率为30W～50W，扫描速度优选为5m/s～10m/s，光斑大小为50μm～70μm。在上述参数下，不仅能够有效地减小激光器能量的损耗，且能实现激光器对工件扫描路径的精确控制，增加扫描后形成的氧化层的均匀性，进而增加激光焊接后焊缝的均匀性。
[0039] S130：清除氧化层表面的污垢，并用溶剂进行擦拭。
[0040] 由于在经第一激光器扫描完毕后，氧化层表面会残留一些杂质和污垢，为了保证焊接质量，在对工件进行焊接之前，还需要对工件的氧化区域进行处理，即将氧化层表面的污垢清除，并用溶剂擦拭干净，该溶剂优选为丙酮。
[0041] 上述预处理方式工艺简单、成本低廉，氧化均匀；可显著降低工件的待焊接区域的反射率；并且，通过激光照射进行预处理，无需借助其他材料实现工件的待焊接区域的氧化，因此减少了杂质粒子的引入，在后续的焊接过程中，有效保证了焊缝质量。
[0042] S200：对预处理后的工件进行激光焊接。
[0043] 作为一种可实施方式，对预处理后的工件进行激光焊接包括如下步骤：
[0044] S210：将预处理后的工件固定。
[0045] 在进行焊接前，需要先将待焊接的工件固定在工作台上，以保证焊接的精度和准度。一般地，待焊接工件通过夹具进行固定。
[0046] S220：在惰性气体氛围下，利用第二激光器沿工件的氧化层进行焊接。
[0047] 在对工件的待焊接区域进行预处理后，由于工件的待焊接区域形成氧化层，因此，工件的待焊接区域反射率降低，对入射激光的吸收率增加，即使工件为铜、铝等高反射率材料制成时，采用功率较低的激光器也能完成焊接过程。作为优选，第二激光器的功率为200W～1000W。利用低功率的激光器，减少了能量的浪费，降低了成本，降低了对激光器光学系统造成损伤的几率。
[0048] 优选地，在焊接过程中，焊接速度为3mm/s～5mm/s，离焦量为0mm～+5mm，有利于增加焊缝的均匀性，增强焊接强度。
[0049] 作为一种可实施方式，惰性气体采用氩气，其制备简单，成本低廉；并具有稳定的化学性质，不易与其他物质发生反应，能起到较佳的保护作用。
[0050] 经预处理后，工件的待焊接区域对入射激光的反射率明显降低，因此，可实现低功率的激光器对铜、铝等高反射率的材料的焊接，有效降低了能量的损耗，避免了焊接过程中由于反射率过高对激光器光学系统造成的损伤；同时由于工件的待焊接区域对入射激光的吸收率增加，使得工件的待焊接区域的熔化速率加快，进而提高了焊接速率。
[0051] 需要说明的是，本发明中，激光器的功率是指激光器的最大输出功率，而激光器的输出功率是指工作过程中激光器的实际输出功率。
[0052] 参见图1，在上述通过激光照射的方式对工件的待焊接区域进行预处理的过程中，氧化路径(即第一激光器100沿工件的待焊接区域的扫描路径)和氧化深度(即氧化层的厚度)通过CCD图像系统500和扫描振镜600来控制，具体过程如下：
[0053] (1)将工件300置于工作台400上，优选地，工作台400为伺服工作台，并与控制系统700相连接，工作台400在控制系统700的控制下动作；将CCD图像系统500置于工件300的上方，同时将CCD图像系统500与控制系统700相连接，CCD图像系统500对工件300的待焊接区域进行定位，并将监测到的工件的光学影像转换为数字信号发送给控制系统700。
[0054] (2)通过控制系统700移动工作台400，使工件300位于扫描振镜600的正下方；连通第一激光器100到扫描振镜600的光路，并将第一激光器100电连接到控制系统700，通过控制系统700来调节第一激光器100的扫描速度、输出功率及光斑大小等参数。
[0055] (3)扫描完成后，工件300的待焊接区域形成一层氧化层。
[0056] 通过CCD图像系统500及扫描振镜600，使得预处理过程实现自动化，增加了预处理的速率；同时，CCD图像系统500及扫描振镜600使得第一激光器100发射的激光沿着氧化区域进行精确扫描，可实现氧化深度和氧化路径的精确控制，进而提高了氧化层的均匀性，利于后续步骤中的激光焊接并保护工件。
[0057] 继续参见图1，预处理和焊接过程可由同一套设备实现。连通第二激光器200到扫描振镜600的光路，同时将第二激光器200与控制系统700电连接，通过控制系统700来调节第二激光器200的输出功率、焊接速度及离焦量等参数。
[0058] 本发明的激光焊接方法，在对工件进行激光焊接之前，首先对工件的待焊接区域进行预处理，使工件的待焊接区域表面形成一层氧化层，从而使工件的待焊接区域对入射激光的吸收率增加，降低了能量损失，避免了由于工件的反射率过高造成的激光器光学系统的损伤。
[0059] 本发明利用激光照射进行预处理，工艺简单，成本低廉，无需借助其他材料实现工件的待焊接区域的氧化，因此减少了杂质粒子的引入，保证了焊接强度。
[0060] 并且，由于工件的待焊接区域对入射激光的吸收率增加，使得工件的待焊接区域的熔化速率加快，进而提高了焊接速率。
[0061] 此外，本发明的激光焊接方法通过CCD图像系统和扫描振镜实现了对氧化路径和氧化深度的精确控制，提高氧化的均匀性，从而提高焊缝的均匀性，有效保证了焊缝质量；同时，可采用低功率的激光器进行工件的焊接，进一步降低了能量损耗，在高反射率材料的焊接、封装等领域有着广阔的应用前景。
[0062] 下面通过三个具体的实施例进一步说明本发明。
[0063] 实施例1
[0064] 将厚度为0.5mm的紫铜板切割成40mm×80mm，放置在工作台上；利用CCD图像系统对紫铜板的待焊接区域进行定位；定位完成后，启动工作台，使紫铜板移到扫描振镜的正下方；开启第一激光器及扫描振镜，其中，第一激光器为波长为1064nm、功率为300W的皮秒激光器，通过控制系统把第一激光器的发射功率调整为30W、扫描速度设置为5m/s，而后利用聚焦光斑为70um的激光对紫铜板进行预处理，形成厚度为10μm的氧化层。
[0065] 对上述预处理完毕的紫铜板进行反射率的测试，测试结果为：经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为75％，未经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为93％。可见，经预处理过后的区域的反射率显著降低。
[0066] 预处理完成后，清除氧化层表面的污垢，并用丙酮彻底清洗干净；而后利用第二激光器进行焊接。其中，第二激光器为功率为500W的连续波光纤激光器，在焊接过程中，通过控制系统把第二激光器的输出功率调整为239W、焊接速度调整为5mm/s，离焦量调整为+5mm。
[0067] 实施例2
[0068] 将厚度为0.5mm的铝板切割成40mm×80mm，放置在工作台上；利用CCD图像系统对铝板的待焊接区域进行定位；定位完成后，启动工作台，使铝板移到扫描振镜的正下方；开启第一激光器及扫描振镜，其中，第一激光器为波长为355nm、功率为90W的皮秒激光器，通过控制系统把第一激光器的发射功率调整为50W、扫描速度设置为10m/s，而后利用聚焦光斑为50um的激光对铝板进行预处理，形成厚度为50μm的氧化层。
[0069] 对上述预处理完毕的铝板进行反射率的测试，测试结果为：经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为70％，未经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为92％。可见，经预处理过后的区域的反射率显著降低。
[0070] 预处理完成后，清除氧化层表面的污垢，并用丙酮彻底清洗干净；而后利用第二激光器进行焊接。其中，第二激光器为功率为500W的连续波光纤激光器，在焊接过程中，通过控制系统把第二激光器的输出功率调整为300W、焊接速度调整为3mm/s，离焦量调整为0mm。
[0071] 实施例3
[0072] 将厚度为0.5mm的紫铜板切割成40mm×80mm，放置在工作台上；利用CCD图像系统对紫铜板的待焊接区域进行定位；定位完成后，启动工作台，使紫铜板移到扫描振镜的正下方；开启第一激光器及扫描振镜，其中，第一激光器为波长为850nm、功率为200W的纳秒激光器，通过控制系统把第一激光器的发射功率调整为40W、扫描速度设置为8m/s，而后利用聚焦光斑为80um的激光对紫铜板进行预处理，形成厚度为30μm的氧化层。
[0073] 对上述预处理完毕的紫铜板进行反射率的测试，测试结果为：经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为68％，未经预处理的区域对1064nm的激光的反射率为93％。可见，经预处理过后的区域的反射率显著降低。
[0074] 预处理完成后，清除氧化层表面的污垢，并用丙酮彻底清洗干净；而后利用第二激光器进行焊接。其中，第二激光器为功率为600W的连续波光纤激光器，在焊接过程中，通过控制系统把第二激光器的输出功率调整为500W、焊接速度调整为4mm/s，离焦量调整为+3mm。
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