技术解析：GMZ系列异形弹片纳秒激光叠焊

2021-04-06 10:55

激光焊接是一种无接触材料加工方式，一般脉冲激光器用于薄材料的精密焊接，连续激光器用于厚材料的焊接。按照熔池形态区分，如图1所示，激光焊接可分为热传导焊和深熔焊，前者的功率密度范围为10⁴～10⁶ W／cm²，后者一般在10⁷ W／cm²以上。

图1 热导焊与深熔焊形成熔池形态差别

激光焊接相对于传统焊接技术而言，可以极大的提升焊接的效率和精度，能够简单的实现多种金属或者异种金属焊接需求。激光焊接可以采用振镜扫描方式和固定焊接头方式，纳秒脉冲焊接主要采用振镜扫描方式，速度快、灵活性高。激光焊接在消费类电子产品、半导体、电池、传感器和医疗等许多行业中，均得到了广泛应用。

纳秒焊接原理

焊接都要经过激光吸收产热、熔化融合和冷却凝固三个过程，由于特定材料的比热和相变潜热是固定，激光脉冲能量越大，能够熔化的材料体积也越大。按照脉冲能量大小，激光焊接目前也有两种主要的光源选择，一种是采用YAG激光器或者QCW激光器作为焊接光源，另一种采用纳秒脉冲激光器。对YAG或者QCW激光器，其单脉冲宽度在微秒甚至毫秒量级，单脉冲能量在焦耳甚至数十焦耳量级，焊点直径通常大于1mm，采用固定焊接镜头的方式工作。而纳秒MOPA脉冲激光器，单脉冲能量只有1mJ到2mJ，能够熔化的材料体积有限，单个焊点只有数十微米，通常采用振镜扫螺旋线的方式组合众多焊点形成一个焊盘，焊盘直径通常小于1mm，焊接螺旋线轨迹及剖面熔池形态如图2所示。

图2（左）焊接螺旋轨迹和（右）焊点剖面熔池示意

激光焊接方式

按材料搭接方式划分，常见激光焊接方式有拼焊、叠焊、角焊、搭边焊、桩节焊等，如图2所示。纳秒激光薄板焊接多采用叠焊方式，其他如拼焊方式也适用。对于叠焊，熔池必须穿透上层材料延深到下层材料中，上层材料越厚对应的熔池深度越大，所需的激光功率也越高。常见的薄片材料厚度在0.1mm到0.5mm之间，对应的需要选择60W到200W的MOPA脉冲激光器。

图3 激光焊接时不同的材料搭接方式

光至科技GMZ系列

众所周知，焊接拉拔力是判断焊接强度的重要指标，而激光器的光束质量M²又是影响焊接拉拔力的一个很重要的技术参数，即光束质量越好，拉拔力越强。光至科技GMZ高亮度系列是面向业内高标准高要求而开发的一款产品，是一款光束质量M²非常好的产品系列，其产品系列涵盖全功率段20～200W，200W的MOPA激光器光束质量可以控制在1.4以内。“Z”取自Zero，为零阶模的意思。

光至科技GMZ系列MOPA纳秒焊接典型应用

（1）紫铜片螺旋焊点