微技術(shù)正向眾多更先進(jìn)的方向發(fā)展，如更小尺寸、更尖端復(fù)雜的技術(shù)、更高的局部智能化、更準(zhǔn)確的在線可靠性預(yù)測以及更低成本等。這些發(fā)展趨勢將促使我們采用新型材料及組裝技術(shù)，從而推動脈沖激光器成為生產(chǎn)工具。此外，為了讓工藝速度適應(yīng)于平均激光器功率，應(yīng)當(dāng)采用脈沖激光技術(shù)。目前，一些焊接應(yīng)用需要極小的光斑直徑(30-40m)，以及低至10mJ的脈沖能量。
低功率脈沖Nd:YAG激光器可以提供所需的光斑直徑，而且激光器參數(shù)也非常適用于薄金屬(40 m-1000 m)的微焊接。此外，眾多微焊接應(yīng)用均需要良好的脈間穩(wěn)定性及低脈沖能量情況下高度的功率穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)令人滿意的工藝成品率。
本文將針對125W脈沖Nd:YAG激光器提供各種材料的微焊接數(shù)據(jù)，并介紹100W連續(xù)波光纖激光器可獲得的相關(guān)結(jié)果。
激光微焊接技術(shù)
激光微焊接技術(shù)可將兩顆毫米以下大小的部件通過焊接和材料熔合連接在一起，主要用于結(jié)構(gòu)成型。激光微焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)學(xué)、一般工業(yè)應(yīng)用以及汽車等不同領(lǐng)域中。
由于需要將異種的微型化金屬元件連接在一起，這一技術(shù)發(fā)展趨勢對焊接方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。異種金屬的可焊接性取決于眾多不同的因素。物理性質(zhì)對能量耦合和熱傳導(dǎo)有著顯著的影響。脈沖激光焊接工藝通過多種不同參數(shù)進(jìn)行控制，其中包括平均功率、峰值功率、功率密度、脈沖持續(xù)時間、橫向速度和脈沖波形等。
自激光微連接技術(shù)早期發(fā)展以來，脈沖Nd:YAG激光器就一直是一種高效的技術(shù)選擇。光纖激光器和盤形激光器近期則作為潛在的激光微連接替代技術(shù)涌現(xiàn)出來。本文將介紹分別采用脈沖燈泵Nd:YAG與光纖激光器情況下各種材料的微焊接參數(shù)。
實驗工作
脈沖燈泵Nd:YAG激光器
我們采用GSI新型Nd:YAG脈沖激光器(型號JK125)對一系列材料進(jìn)行了焊接實驗。這種激光器擁有最高的光束質(zhì)量，不僅可提高工藝速度，延長作業(yè)距離，而且還能縮小光斑直徑，理想適用于微焊接要求。
激光器光束在15m×150 m的光纖中傳輸，光纖與配有聚焦光學(xué)器件的200mm輸出箱體進(jìn)行端接。輸出箱體配有200毫米焦距再校準(zhǔn)鏡頭，并在實驗中采用了各種聚焦鏡頭。圖1顯示了光纖末端與焦點處的激光光束輪廓圖。氬氣保護(hù)氣體使頂部焊縫在焊接過程中可防止焊接氧化，氣體通過10mm直徑的管道傳輸(速率為每分鐘10升)。激光束的焦點在工件表面上。
激光器用Scanlab Scanner(型號為Hurry Scan 10)設(shè)置。該掃描儀配備了160mm焦距鏡頭，計算得出的光斑直徑約為34 m。實驗期間的焦點位置處于樣本頂部。焊接期間使用氬氣保護(hù)氣體。通過在固定工件上掃描激光光束形成熔合線。單模光纖激光器發(fā)射出高斯光束，M2 <1.10(見圖2)。
實驗結(jié)果論述
脈沖燈泵Nd:YAG激光器
脈沖激光光束焊接工藝可通過各種參數(shù)進(jìn)行控制，其中包括平均峰值功率密度、平均激光功率、焊接速度以及脈沖持續(xù)時間等。本研究將側(cè)重于探討這些主要處理參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。薄金屬片微焊接技術(shù)的主要優(yōu)勢在于：
a) 極低的熱輸入：僅在需要時才提供焊接電能，并可實現(xiàn)優(yōu)異的控制性能。
b) 清潔焊接：除了外觀美觀之外，清潔的焊接還有助于簡化消毒工作，便于與其他設(shè)備配合使用。
c) 強焊接：激光焊接次數(shù)少，強度高。
d) 密封焊接：與錫焊或銅焊不同，激光焊接能實現(xiàn)無暇的密封性能，這對于眾多微型應(yīng)用而言至關(guān)重要。
本研究的重點在于明確薄材料板焊接的激光參數(shù)，下文僅給出對不銹鋼材料進(jìn)行實驗所得的結(jié)果。其它材料的實驗結(jié)果，請通過電子郵件(naeemm@gsilumonics.com)聯(lián)系作者本人。
不銹鋼(縫焊)
采用矩形脈沖激光束焊接，初始尖峰信號如圖3所示，材料厚度如下：縫焊厚度為0.5mm-2.0mm，點焊厚度為20 m-70 m。
0.5-2.0mm厚度材料在不同焊斑直徑下的焊接速度如圖4所示。通過實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖能量、脈沖寬度和峰值功率對確保良好的焊接質(zhì)量具有非常重要的作用。脈沖的熔池量取決于脈沖能量。就給定材料而言，實現(xiàn)一定熔接透入深度需要具備最低脈沖能量。
影響焊接性能的其它因素包括焦點位置、焦距和移動速度。由于長焦距的景深較好，所以采用較長焦距透鏡(160mm與200mm)焊接較厚材料(如1.5mm與2mm)時，其速度要稍快于短焦距透鏡(80mm與120mm)。
薄不銹鋼板激光點焊具有以下特點：焊接熔池小、高溫及極短的工藝時間。焊接熔池的溫度極高，常常超過合金的沸點。在加熱過程中，隨著脈沖的發(fā)展，蒸發(fā)率也隨之快速上升。在脈沖終止時，由于焊接熔池的快速冷卻，蒸發(fā)率幾乎即刻降至極低值。通過不銹鋼薄片的點焊實驗證實，脈沖持續(xù)時間與脈沖能量是影響焊接質(zhì)量的兩大主要因素。實驗結(jié)果還指出，在點焊應(yīng)用脈沖能量保持恒定的情況下，脈沖持續(xù)時間的變化會對焊縫尺寸和質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響，這是由于峰值功率密度的變化造成的。
不銹鋼板(20-150 m)的點焊廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)硬盤驅(qū)動器彎曲焊接領(lǐng)域。磁盤驅(qū)動器彎曲組件是300系列不銹鋼薄片部件，通過點焊搭接縫的方式將不同薄片連接在一起，每個設(shè)備包括四個不同的組件。最厚的組件是260 m厚的安裝板。在安裝板上通過兩對點焊將40 m厚的彈簧焊接上，另兩對點焊則通過彈簧焊接上70 m厚的承載橫梁。只有一對點焊通過40 m厚的彎曲焊接與承載橫梁相連。表面頂端部件上的焊縫直徑約為120 m-150 m，焊縫均不會滲透到底板。磁盤驅(qū)動器彎曲點焊的主要要求包括：防止焊接飛濺，焊料不能出現(xiàn)凹痕，且要達(dá)到一定的直徑大小以確保焊接強度。
我們研究了一系列激光與工藝參數(shù)(如脈沖能量與寬度、束斑大小、保護(hù)氣體及焦點位置等)。研究結(jié)果表明，我們應(yīng)保持平均激光功率足夠低，從而實現(xiàn)無薄板扭曲的優(yōu)質(zhì)點焊。
點焊通過激光脈沖成形技術(shù)完成，但實際中已造成表面輕微的飛濺，這是不能接受的。我們要進(jìn)一步優(yōu)化脈沖成形技術(shù)，以便消除焊接飛濺問題。用優(yōu)化后的脈沖成形技術(shù)進(jìn)行點焊可獲得更好的效果。
關(guān)于焊接實驗的總結(jié)
我們用低平均功率脈沖Nd:YAG激光對眾多材料進(jìn)行了焊接實驗，并研究了100W單模光纖激光器的性能。
研究發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)拿}沖時間電能變化(脈沖成形)，可就包括鋁、銅、合金等高反射材料在內(nèi)的多種不同材料實現(xiàn)高質(zhì)量焊接。
將激光參數(shù)與脈沖成形技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)廣泛的異種材料焊接。利用脈沖成形技術(shù)，并非所有材料的焊接問題均能解決，但隨著脈沖激光技術(shù)的不斷提高，異種材料的焊接技術(shù)必將不斷進(jìn)步。
脈沖Nd:YAG激光微焊接技術(shù)的主要競爭對手是光纖激光器與盤形激光器。100W單模光纖激光器的簡單焊接實驗反映出：
a)光纖激光器的光束質(zhì)量較高，可針對微焊接應(yīng)用在脈沖與連續(xù)波運轉(zhuǎn)下實現(xiàn)較小的束斑尺寸(34 m)。
b)憑借100W的平均功率及小光斑，可充分實現(xiàn)多達(dá)0.5毫米厚的不銹鋼板焊接。焊接性能可與鈦合金相媲美。采用CW運轉(zhuǎn)時，受熱影響的區(qū)域相對于脈沖運轉(zhuǎn)而言要略大一些。
c)鋁合金、銅與黃銅等材料不能焊接。每平方厘米8.6×10W的功率密度不足以解決這些材料的反射問題。CW與脈沖技術(shù)的實驗結(jié)果類似
