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薄金属微焊接的研究

2009-05-21 12:00
Timeless落尘
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        作者:Mohammed Naeem

        微技术正向众多更先进的方向发展,如更小尺寸、更尖端复杂的技术、更高的局部智能化、更准确的在线可靠性预测以及更低成本等。这些发展趋势将促使我们采用新型材料及组装技术,从而推动脉冲激光器成为生产工具。此外,为了让工艺速度适应于平均激光器功率,应当采用脉冲激光技术。目前,一些焊接应用需要极小的光斑直径(30-40m),以及低至10mJ的脉冲能量。

        低功率脉冲Nd:YAG激光器可以提供所需的光斑直径,而且激光器参数也非常适用于薄金属(40 m-1000 m)的微焊接。此外,众多微焊接应用均需要良好的脉间稳定性及低脉冲能量情况下高度的功率稳定性,从而实现令人满意的工艺成品率。

        本文将针对125W脉冲Nd:YAG激光器提供各种材料的微焊接数据,并介绍100W连续波光纤激光器可获得的相关结果。
                
        激光微焊接技术

        激光微焊接技术可将两颗毫米以下大小的部件通过焊接和材料熔合连接在一起,主要用于结构成型。激光微焊接技术广泛应用于电子、医学、一般工业应用以及汽车等不同领域中。

        由于需要将异种的微型化金属元件连接在一起,这一技术发展趋势对焊接方法提出了严峻的挑战。异种金属的可焊接性取决于众多不同的因素。物理性质对能量耦合和热传导有着显著的影响。脉冲激光焊接工艺通过多种不同参数进行控制,其中包括平均功率、峰值功率、功率密度、脉冲持续时间、横向速度和脉冲波形等。

        自激光微连接技术早期发展以来,脉冲Nd:YAG激光器就一直是一种高效的技术选择。光纤激光器和盘形激光器近期则作为潜在的激光微连接替代技术涌现出来。本文将介绍分别采用脉冲灯泵Nd:YAG与光纤激光器情况下各种材料的微焊接参数。
        
         实验工作

        ● 脉冲灯泵Nd:YAG激光器

        我们采用GSI新型Nd:YAG脉冲激光器(型号JK125)对一系列材料进行了焊接实验。这种激光器拥有最高的光束质量,不仅可提高工艺速度,延长作业距离,而且还能缩小光斑直径,理想适用于微焊接要求。

        激光器光束在15m×150 m的光纤中传输,光纤与配有聚焦光学器件的200mm输出箱体进行端接。输出箱体配有200毫米焦距再校准镜头,并在实验中采用了各种聚焦镜头。图1显示了光纤末端与焦点处的激光光束轮廓图。氩气保护气体使顶部焊缝在焊接过程中可防止焊接氧化,气体通过10mm直径的管道传输(速率为每分钟10升)。激光束的焦点在工件表面上。



        ● 光纤激光器

        激光器用Scanlab Scanner(型号为Hurry Scan 10)设置。该扫描仪配备了160mm焦距镜头,计算得出的光斑直径约为34 m。实验期间的焦点位置处于样本顶部。焊接期间使用氩气保护气体。通过在固定工件上扫描激光光束形成熔合线。单模光纤激光器发射出高斯光束,M2 <1.10(见图2)。
                
        
        实验结果论述

        ● 脉冲灯泵Nd:YAG激光器

        脉冲激光光束焊接工艺可通过各种参数进行控制,其中包括平均峰值功率密度、平均激光功率、焊接速度以及脉冲持续时间等。本研究将侧重于探讨这些主要处理参数对焊接质量的影响。薄金属片微焊接技术的主要优势在于:

        a) 极低的热输入:仅在需要时才提供焊接电能,并可实现优异的控制性能。

        b) 清洁焊接:除了外观美观之外,清洁的焊接还有助于简化消毒工作,便于与其他设备配合使用。

        c) 强焊接:激光焊接次数少,强度高。

        d) 密封焊接:与锡焊或铜焊不同,激光焊接能实现无暇的密封性能,这对于众多微型应用而言至关重要。

        本研究的重点在于明确薄材料板焊接的激光参数,下文仅给出对不锈钢材料进行实验所得的结果。其它材料的实验结果,请通过电子邮件(naeemm@gsilumonics.com)联系作者本人。

        ● 不锈钢(缝焊)

        采用矩形脉冲激光束焊接,初始尖峰信号如图3所示,材料厚度如下:缝焊厚度为0.5mm-2.0mm,点焊厚度为20 m-70 m。

        0.5-2.0mm厚度材料在不同焊斑直径下的焊接速度如图4所示。通过实验发现,脉冲能量、脉冲宽度和峰值功率对确保良好的焊接质量具有非常重要的作用。脉冲的熔池量取决于脉冲能量。就给定材料而言,实现一定熔接透入深度需要具备最低脉冲能量。

        影响焊接性能的其它因素包括焦点位置、焦距和移动速度。由于长焦距的景深较好,所以采用较长焦距透镜(160mm与200mm)焊接较厚材料(如1.5mm与2mm)时,其速度要稍快于短焦距透镜(80mm与120mm)。



        ● 不锈钢(点焊)

        薄不锈钢板激光点焊具有以下特点:焊接熔池小、高温及极短的工艺时间。焊接熔池的温度极高,常常超过合金的沸点。在加热过程中,随着脉冲的发展,蒸发率也随之快速上升。在脉冲终止时,由于焊接熔池的快速冷却,蒸发率几乎即刻降至极低值。通过不锈钢薄片的点焊实验证实,脉冲持续时间与脉冲能量是影响焊接质量的两大主要因素。实验结果还指出,在点焊应用脉冲能量保持恒定的情况下,脉冲持续时间的变化会对焊缝尺寸和质量产生明显影响,这是由于峰值功率密度的变化造成的。       

        不锈钢板(20-150 m)的点焊广泛应用于电子工业硬盘驱动器弯曲焊接领域。磁盘驱动器弯曲组件是300系列不锈钢薄片部件,通过点焊搭接缝的方式将不同薄片连接在一起,每个设备包括四个不同的组件。最厚的组件是260 m厚的安装板。在安装板上通过两对点焊将40 m厚的弹簧焊接上,另两对点焊则通过弹簧焊接上70 m厚的承载横梁。只有一对点焊通过40 m厚的弯曲焊接与承载横梁相连。表面顶端部件上的焊缝直径约为120 m-150 m,焊缝均不会渗透到底板。磁盘驱动器弯曲点焊的主要要求包括:防止焊接飞溅,焊料不能出现凹痕,且要达到一定的直径大小以确保焊接强度。

        我们研究了一系列激光与工艺参数(如脉冲能量与宽度、束斑大小、保护气体及焦点位置等)。研究结果表明,我们应保持平均激光功率足够低,从而实现无薄板扭曲的优质点焊。

        点焊通过激光脉冲成形技术完成,但实际中已造成表面轻微的飞溅,这是不能接受的。我们要进一步优化脉冲成形技术,以便消除焊接飞溅问题。用优化后的脉冲成形技术进行点焊可获得更好的效果。


        
        关于焊接实验的总结

        我们用低平均功率脉冲Nd:YAG激光对众多材料进行了焊接实验,并研究了100W单模光纤激光器的性能。

        ● 研究发现,通过适当的脉冲时间电能变化(脉冲成形),可就包括铝、铜、合金等高反射材料在内的多种不同材料实现高质量焊接。

        ● 将激光参数与脉冲成形技术相结合,可实现广泛的异种材料焊接。利用脉冲成形技术,并非所有材料的焊接问题均能解决,但随着脉冲激光技术的不断提高,异种材料的焊接技术必将不断进步。

        ● 脉冲Nd:YAG激光微焊接技术的主要竞争对手是光纤激光器与盘形激光器。100W单模光纤激光器的简单焊接实验反映出:

        a)光纤激光器的光束质量较高,可针对微焊接应用在脉冲与连续波运转下实现较小的束斑尺寸(34 m)。

        b)凭借100W的平均功率及小光斑,可充分实现多达0.5毫米厚的不锈钢板焊接。焊接性能可与钛合金相媲美。采用CW运转时,受热影响的区域相对于脉冲运转而言要略大一些。

        c)铝合金、铜与黄铜等材料不能焊接。每平方厘米8.6×10W的功率密度不足以解决这些材料的反射问题。CW与脉冲技术的实验结果类似。

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