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技术解析:GMZ系列异形弹片纳秒激光叠焊

2021-04-06 10:55
来源: 光至科技

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。

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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。

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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。

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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

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图4 GMZ系列纳秒焊接紫铜片的(左)螺旋轨迹和(右)焊点分布

(2)异种金属焊接

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图5 (左)铝板(中)不锈钢板和(右)紫铜板与不同金属焊接结果

(3)3C产品精密焊接

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图6 不锈钢片焊接镍板

(4)电池焊接

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图7 铜材及铝材电池顶盖焊接

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