CN109530917A - 激光焊接***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接***及焊接方法，该激光焊接方法采用绿光激光器对工件进行热传导焊接，对所述绿光激光器进行恒温控制，使得所述绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃。上述激光焊接方法，选用绿光激光器对铜、金等反射率较高的金属进行焊接，有效提高了激光吸收率，降低了焊接时的热输入。激光光斑的功率密度在104～105W/cm2之间，实现了热传导焊接，所获得的焊点圆整度更高、一致性好，工件表面光滑且无飞溅，满足工件的精密焊接需求。并且，在焊接过程中，对绿光激光器进行恒温控制，使得绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃，在此温度范围内，倍频晶体运转状况最佳，激光器稳定性好，确保焊接品质稳定。

Description

激光焊接***及方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种激光焊接***及方法。
背景技术
由铜、金等高反射金属材质构成的薄板、薄片或丝状工件的焊接要求较高，然而现有激光器焊接该类工件时所产生的焊点大小一致性差，容易产生飞溅，不能满足精密焊接的加工需求。
发明内容
基于此，提供一种激光焊接***及方法，旨在提高焊点一致性程度并保持焊接品质稳定。
一种激光焊接方法，采用绿光激光器对工件进行热传导焊接，对所述绿光激光器进行恒温控制，使得所述绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃。
上述激光焊接方法，选用绿光激光器对铜、金等反射率较高的金属进行焊接，有效提高了激光吸收率，降低了焊接时的热输入。通过调节绿光激光器的脉冲能量、脉冲宽度、出光频率等焊接参数，使得激光光斑的功率密度在104～105W/cm2之间，实现了热传导焊接，所获得的焊点圆整度更高、一致性好，工件表面光滑且无飞溅，满足工件的精密焊接需求。并且，在焊接过程中，对绿光激光器进行恒温控制，使得绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃，在此温度范围内，倍频晶体运转状况最佳，激光器稳定性好，确保焊接品质稳定。
在其中一个实施例中，在对工件进行焊接前，还包括以下步骤：
将测试件放置于XY平台，绿光激光器发射的激光能够垂直照射于测试件；
沿Z轴方向移动绿光激光器，并移动测试件使得激光照射于测试件上的不同位置，根据测试件上形成的焊点目测出光强大小，将光强最大时对应绿光激光器的位置设定为原点；
沿Z轴方向在-1mm～1mm范围内移动绿光激光器，每次移动间隔的距离为0.01mm～0.1mm，依次测试出各个位置对应的焊点直径，标记出最小焊点直径所对应的绿光激光器的位置。
在其中一个实施例中，当对工件进行扫描点焊时，所述激光垂直射向工件，工件相对所述绿光激光器沿圆形轨迹运动，所述圆形轨迹的直径为0.1mm～0.2mm，所述工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，所述绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。
在其中一个实施例中，所述工件的个数为两个，分别为第一工件和第二工件，当对第一工件和第二工件进行连续脉冲焊接时，所述激光垂直射向第一工件或第二工件，所述第一工件和第二工件相对所述绿光激光器沿设定轨迹运动以使所述光斑在第一工件和第二工件之间来回穿梭，所述第一工件和第二工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，所述绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。
在其中一个实施例中，所述绿光激光器发射出的激光形成的光斑直径为0.1mm～0.5mm。
在其中一个实施例中，所述绿光激光器发射的脉冲激光的峰值功率为0.8kW～1.5kW，脉冲宽度为1ms～10ms。
一种用于实现所述激光焊接方法的激光焊接***，包括绿光激光器和恒温控制单元，所述绿光激光器能够对工件进行热传导焊接，所述恒温控制单元用于控制所述激光器的工作温度处于25℃～27℃。
在其中一个实施例中，所述激光焊接***还包括光学整形组件，所述光学整形组件包括准直镜片和聚焦镜片，所述激光依次通过所述准直镜片和所述聚焦镜片后射向所述工件，所述准直镜片的焦距为150mm，所述聚焦镜片的焦距为100mm。
在其中一个实施例中，所述绿光激光器发射出的激光通过光学整形组件后形成于工件表面的光斑直径为0.1mm～0.5mm。
在其中一个实施例中，所述绿光激光器发射的脉冲激光的峰值功率为0.8kW～1.5kW，脉冲宽度为1ms～10ms。
附图说明
图1为一实施例中扫描点焊的示意图；
图2为一实施例中连续脉冲焊接的示意图；
图3为实施例1中绿光和光纤激光焊接效果对比图；
图4为实施例2中镍白铜和铜丝的搭接接头示意图；
图5a为实施例2中镍白铜和铜丝焊接后的产品图；
图5b为图5a中E处的放大图；
图6a为实施例3中焊接后的手镯产品图；
图6b为6a中F处的放大图；
图6c为6a中G处的放大图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
一种激光焊接方法，采用绿光激光器对工件进行热传导焊接，对所述绿光激光器进行恒温控制，使得所述绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃。
上述激光焊接方法，选用绿光激光器对铜、金等反射率较高的金属进行焊接，有效提高了激光吸收率，降低了焊接时的热输入。在脉冲激光焊接中，要尽量避免焊点金属的过量蒸发与烧穿，因而需要合理地控制输入到焊点的功率密度。对于不同类型不同厚度的材料，应设定一个合理的功率密度。功率密度过小则焊点强度低，甚至无法形成焊点。功率密度超过105W/cm2时，金属气化过多，形成小孔，焊接机理由热传导焊接转变为深熔焊接。本申请中针对工件的精密焊接，通过调节绿光激光器的脉冲能量、脉冲宽度、出光频率以及光斑直径等焊接参数，使得光斑的功率密度在104～105W/cm2之间，实现了热传导焊接，所获得的焊点圆整度更高、一致性好，工件表面光滑且无飞溅，满足工件的精密焊接需求。
在工业生产过程中，设备运转时会产生大量的热量，使得环境温度发生变化，导致激光器内部的倍频晶体的相位匹配条件会发生变化，引起晶体的倍频效率改变，影响激光器的输出功率稳定性。在焊接过程中，对绿光激光器进行恒温控制，使得绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃，在此温度范围内，倍频晶体运转状况最佳，激光器稳定性好，保证光电转换效率变化在±0.2％范围内，满足实际使用要求。
该激光焊接方法适用于厚度不超过0.2mm的工件的精密焊接，工件的形态可为薄板、丝等。两个待焊接工件可采用对接接头或搭接接头。选用对接接头时，焊点形成于两个工件之间。选用搭接接头时，由于工件的厚度较小，采用叠焊的方式，即激光照射在位于上方的工件表面，所形成的焊点穿透上方工件从而使得搭接的两个工件焊接成一体。
在对工件进行焊接前，还包括以下调焦步骤：
将测试件放置于XY平台，绿光激光器发射的激光能够垂直照射于测试件；
沿Z轴方向移动绿光激光器，并移动测试件使得激光照射于测试件上的不同位置，根据测试件上形成的焊点目测出光强大小，将光强最大时对应绿光激光器的位置设定为原点；
沿Z轴方向在-1mm～1mm范围内移动绿光激光器，每次移动间隔的距离为0.01mm～0.1mm，依次测试出各个位置对应的焊点直径，标记出最小焊点直径所对应的绿光激光器的位置。
聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。为提高绿光激光器的功率密度，采用了短焦距的聚焦镜片，若激光稍微偏离焦点，其焊接能力就会发生巨大变化。例如进行叠焊时，需要确保激光聚焦于工件表面以获得足够的熔深。为使激光焊接达到预期效果，焊前需要进行精确调焦。将测试件放置于位置固定的XY平台上，在一实施例中，测试件为紫铜片。首先沿Z轴粗调绿光激光器的位置，设定Z轴原点，确定一个大致范围。然后再进行细调，标记出最小焊点直径所对应的绿光激光器的位置，以该位置作为绿光激光器的基准位置。
将绿光激光器固定于该基准位置，则绿光激光器发射出的激光经过准直镜片和聚焦镜片后能够聚焦于工件表面。当需要获得较大直径的光斑时，将绿光激光器调节至基准位置的上方，相应的，激光焦点位于工件表面上方。
根据实际需求，可进行单点焊接、扫描点焊或连续脉冲焊接。
(1)单点焊接是指工件和激光器的位置都保持固定，激光垂直照射于工件待焊接部位，所形成的焊点直径较小，约为0.3mm，适用于薄板材料的精密点焊。此外，在焊接过程中无需保护气。
(2)扫描点焊是指激光器的位置固定，工件按照一定轨迹发生移动，多个光斑所形成的熔池相互连通，凝固后能够获得尺寸较大的焊点。在一实施例中，激光垂直射向工件，工件相对绿光激光器做旋转运动。相应的，请参阅图1，光斑10相对工件表面沿以点O为圆心的圆形轨迹20运动，圆形轨迹20的直径为0.1mm～0.2mm，工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。光斑10重叠率大于50％，所形成的焊点直径远大于光斑直径，保证了搭接的两个工件之间形成较大的结合面积，焊点力学性能更高。
(3)连续脉冲焊接是指激光器的位置固定，工件按照一定轨迹发生移动，形成长条形焊缝。在一实施例中，请参阅图2，工件的个数为两个，分别为第一工件A和第二工件B，对第一工件A和第二工件B采用连续脉冲焊接。第一工件A和第二工件B为对接接头，激光垂直射向第一工件A或第二工件B，第一工件A和第二工件B相对绿光激光器沿设定轨迹运动以使光斑30在第一工件A和第二工件B之间来回穿梭，第一工件和第二工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。光斑的重叠率超过50％，使得形成的焊缝具有较大熔深以及熔宽，保证良好的密封效果。
需要说明的是，第一工件A和第二工件B相对绿光激光器沿设定轨迹运动使得光斑30在第一工件A和第二工件B之间来回穿梭，是指绿光激光器保持静止，被夹持固定的第一工件A和第二工件B沿设定轨迹运动，在某一时间段光斑30照射于第一工件A表面，使得第一工件A表面形成熔池，在另一时间段，光斑30照射于第二工件B表面，使得第二工件B表面形成熔池，第一工件A上的熔池与第二工件B上的熔池冷却凝固后，在第一工件A和第二工件B之间形成焊缝。如在一些实施方式中，设定轨迹为N形轨迹40或U形轨迹50，从而光斑在第一工件A和第二工件B之间来回穿梭移动。
在其他实施例中，第一工件和第二工件还可采用搭接接头。
一种用于实现上述激光焊接方法的激光焊接***，包括绿光激光器和恒温控制单元，所述绿光激光器能够对工件进行热传导焊接，所述恒温控制单元用于控制所述激光器的工作温度处于25℃～27℃。
上述激光焊接***，选用绿光激光器对铜、金等反射率较高的金属进行焊接，有效提高了激光吸收率，降低了焊接时的热输入。通过调节绿光激光器的脉冲能量、脉冲宽度、出光频率等焊接参数，使得激光光斑的功率密度在104～105W/cm2之间，实现了热传导焊接，所获得的焊点圆整度更高、一致性好，工件表面光滑且无飞溅，满足工件的精密焊接需求。并且，在焊接过程中，对绿光激光器进行恒温控制，使得绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃，在此温度范围内，倍频晶体运转状况最佳，激光器稳定性好，确保焊接品质稳定。
激光焊接***还包括光学整形组件，光学整形组件包括准直镜片和聚焦镜片，激光依次通过准直镜片和聚焦镜片后射向工件，准直镜片的焦距为150mm，聚焦镜片的焦距为100mm。通过准直镜片和聚焦镜片对激光器发射出的激光进行调整，能够获得较小直径的光斑，从而保证工件的精密焊接。
绿光激光器发射出的激光通过光学整形组件后形成于工件表面的光斑直径为0.1mm～0.5mm。
绿光激光器发射的脉冲激光的峰值功率为0.8kW～1.5kW，脉冲宽度为1ms～10ms。脉冲激光的峰值功率不宜过低，以确保能够熔化待焊接金属，同时，脉冲峰值功率不宜过高，否则会出现飞溅。为了形成连续焊缝，脉冲宽度不宜过短；在激光脉冲能量一定时，为获得较高的激光峰值功率，脉冲宽度不宜过大。
实施例1
采用绿光激光对0.1mm厚的紫铜片进行搭接焊，并与光纤激光焊接的紫铜片进行对比，其中光纤激光的波长为1064nm。焊前用无水乙醇擦拭工件表面，用特定夹具固定上下两块紫铜片，保证搭接接头紧密贴合。采用单点焊接，激光垂直照射工件，激光焦点位于工件表面，焊接过程无需保护气。焊接效果如图3所示，使用光纤激光所需单点能量约8J，焊点圆度较差。而采用绿光焊接所需单点能量0.7J，为光纤激光的8.75％，焊点表面光滑、无飞溅，焊点大小一致。
实施例2
选用厚度为0.1mm的镍白铜C和直径为0.2mm的紫铜丝D进行搭接焊，焊接结构如图4所示。焊前用无水乙醇擦拭工件表面，为防止镍白铜C与紫铜丝D发生定位偏差，造成虚焊，使用特定夹具对工件进行精确定位并固定。采用单点焊接的方式进行焊接，激光垂直照射工件，激光焦点位于镍白铜C表面，所用激光峰值功率为800W，脉冲宽度为1.5ms，焊接过程无需保护气。焊接效果如图5a和图5b所示，焊点表面较为光滑、无飞溅，焊点直径为0.4mm，焊点大小一致。
实施例3
对纯金手镯进行对接焊，手镯直径6mm，对接间隙约为0.1mm。焊前用无水乙醇擦拭手镯表面，采用连续脉冲焊接的方式进行焊接。激光垂直照射工件，激光焦点位于工件表面上方0.5mm处，所用激光峰值功率为1000W，脉冲宽度为2ms，焊接速度为0.3mm/s，出光频率为1Hz，焊接过程无需保护气。焊接效果如图6a、图6b和图6c所示，连接强度高，焊点表面光滑、无飞溅，焊点直径0.5mm，焊点大小一致。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，采用绿光激光器对工件进行热传导焊接，对所述绿光激光器进行恒温控制，使得所述绿光激光器的工作温度处于25℃～27℃。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在对工件进行焊接前，还包括以下步骤：
将测试件放置于XY平台，绿光激光器发射的激光能够垂直照射于测试件；
沿Z轴方向移动绿光激光器，并移动测试件使得激光照射于测试件上的不同位置，根据测试件上形成的焊点目测出光强大小，将光强最大时对应绿光激光器的位置设定为原点；
沿Z轴方向在-1mm～1mm范围内移动绿光激光器，每次移动间隔的距离为0.01mm～0.1mm，依次测试出各个位置对应的焊点直径，标记出最小焊点直径所对应的绿光激光器的位置。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，当对工件进行扫描点焊时，所述激光垂直射向工件，工件相对所述绿光激光器沿圆形轨迹运动，所述圆形轨迹的直径为0.1mm～0.2mm，所述工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，所述绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述工件的个数为两个，分别为第一工件和第二工件，当对第一工件和第二工件进行连续脉冲焊接时，所述激光垂直射向第一工件或第二工件，所述第一工件和第二工件相对所述绿光激光器沿设定轨迹运动以使所述光斑在第一工件和第二工件之间来回穿梭，所述第一工件和第二工件的运动速度为0.1mm/s～0.3mm/s，所述绿光激光器的出光频率为1Hz～2Hz。
5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述绿光激光器发射出的激光形成的光斑直径为0.1mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述绿光激光器发射的脉冲激光的峰值功率为0.8kW～1.5kW，脉冲宽度为1ms～10ms。
7.一种用于实现如权利要求1-6所述激光焊接方法的激光焊接***，其特征在于，包括绿光激光器和恒温控制单元，所述绿光激光器能够对工件进行热传导焊接，所述恒温控制单元用于控制所述激光器的工作温度处于25℃～27℃。
8.根据权利要求7所述的激光焊接***，其特征在于，所述激光焊接***还包括光学整形组件，所述光学整形组件包括准直镜片和聚焦镜片，所述激光依次通过所述准直镜片和所述聚焦镜片后射向所述工件，所述准直镜片的焦距为150mm，所述聚焦镜片的焦距为100mm。
9.根据权利要求8所述的激光焊接***，其特征在于，所述绿光激光器发射出的激光通过光学整形组件后形成于工件表面的光斑直径为0.1mm～0.5mm。
10.根据权利要求7所述的激光焊接***，其特征在于，所述绿光激光器发射的脉冲激光的峰值功率为0.8kW～1.5kW，脉冲宽度为1ms～10ms。
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