一种实现激光微焊接的方法与流程

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种实现激光微焊接的方法。

背景技术：

目前微激光加工技术已经应用到了生产和生活的许多方面,尤其是微型IT产品、电子元器结构件的精密焊接需要先进的设备、精细的工艺以及精确的控制方式来实现。

对上述微型结构件焊接时，通常需要对0.1mm以下的薄板材料、高反材料(如铜合金、铝合金类)进行焊接，要达到理想的焊接效果需要满足以下特点：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，随着脉冲的持续，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。显然，较小的激光功率更适用于微焊接领域，它能够在热敏材料附近进行熔焊连接，能够实现微小结构件的连接，且无需任何物理接触。

而焊接领域常用的ms级激光器或者连续激光器，由于其脉冲频率低、峰值能量高，很难符合微米、纳米量级精密焊接的特点，在对薄板进行焊接时，极易造成薄板击穿，并且难以做到0.1mm以下的焊点，因此其多用于0.2mm以上的中厚板焊接，而对0.1mm以下的薄板材料、高反材料焊接，却望而却步。

因此，有必要对现有的激光焊接设备进行改进，以使其适用于微焊接领域的应用，特别是针对薄板、高反材料焊接获得良好的效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种实现激光微焊接的方法，使得现有ms级激光器能够满足0.1mm以下薄板材料、高反材料焊接的需求。

为达到上述目的，本发明实现激光微焊接的方法包括：

设置CW数字调制模式，包括设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比；

根据该调制信号对激光加工设备的激光器出光信号进行数字调制；

激光器在其出光信号有效期间输出多个短脉冲方波。

进一步地，所述激光器为YAG激光器。

进一步地，所述激光器为QCW光纤激光器。

进一步地，所述激光器为连续光纤激光器。

进一步地，所述设置CW数字调制模式的步骤，是通过对激光加工设备上位机控制软件的修改实现的。

进一步地，所述方波波长为μs～ns可调。

进一步地，所述调制频率为10～50KHz。

进一步地，所述占空比为10％～50％。

进一步地，激光器单个出光周期输出的脉冲方波数＜20。

本发明通过对现有ms级激光器或者连续激光器的出光信号进行调制，使激光以较小平稳的方波多脉冲形式出光，以较小的功率实现单点多脉冲焊接，从而满足0.1mm以下薄板材料、高反材料的焊接要求，实现ms级激光器在微米、纳米量级精密微焊接领域的应用。

附图说明

图1是本发明多脉冲形成焊点示意图；

图2是本发明连续出光模式下数字调制时序图；

图3是本发明脉冲出光模式下数字调制时序图；

图4(a)、4(b)是采用本发明方法对钢板进行叠焊的效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统毫秒级激光器或者连续激光器，如YAG激光器、QCW光纤激光器、连续光纤激光器(但不仅限于上述激光器)在焊接薄不锈钢板时，易击穿且焊点较大；在焊接高反材料时，因其自身的不稳定性以及在固态时对激光的吸收率低，常出现爆点、虚焊现象。

为了解决上述问题，本发明对现有激光焊接设备上位机的控制软件进行修改，在软件中增设CW数字调制模式，设置调制信号的调制频率、出光频率及占空比等参数，根据该调制信号对激光器出光信号进行调制，使激光器出光信号有效期间输出多个短脉冲方波，最终得以以较小的功率实现单点多脉冲焊接，以满足薄板、高反材料的焊接要求。通过多脉冲形成焊点的原理如图1所示。

具体地，当激光触发信号为高电平时，即控制端口使能信号等于1时，控制信号无效；当激光器触发信号为低电平时，即控制端口使能信号等于0时，控制信号有效(反之亦可)。在现有激光加工设备中加入CW数字调制模式，即在设备上位机中对控制软件进行修改，加入调制频率、出光频率和占空比。其调制过程可参考图2、图3。

图2为连续出光模式下加入CW数字调制后的时序图，对于连续出光模式，通过给定调制频率信号、占空比后，最终使得激光输出波型为在其出光期间形成多个短脉冲波。其中t1为调制周期，t2为占空比，t1的倒数即为调制频率。

图3为脉冲出光模式下加入CW数字调制后的时序图，对于脉冲出光模式，通过给定调制频率信号、出光频率信号、占空比后，最终实现激光器一个出光信号周期内有多个短脉冲波，出光完成经过一段时间间隔后又重复出光。在脉冲出光模式下，调制频率信号和出光频率信号同步控制激光器输出波型。其中t3为脉冲宽度，t4为脉冲间隔时间，t4的倒数即为出光频率。

调制频率范围在几KHz～几千KHz内可调，调制周期可从μs～ns级，每个输出方波波长从μs～ns可调，占空比0～100％。经CW数字调制后，外控信号每触发一次，在激光器触发信号为低电平期间，即激光器出光期间会连续输出多个方波，因此选择CW数字调制后的脉冲方波，可以以较小且平稳的激光功率进行焊接，最终达到良好的焊接效果。

本实施例以厚度为0.09mm厚的304不锈钢叠焊为例，对经CW数字调制后的焊接效果进行说明。针对0.1mm以下的薄板叠焊，要求焊点在0.1mm以下，并要求有一定的强度。

在0.6×0.5mm区域内焊接6×5的点阵，采用CW模式脉冲出光，设置出光时间，设定点间距为0.1mm，激光焊接功率为180W，出光频率为10～50KHz，占空比为10～50％，出光时间设置为0.15ms，即外控触发一次，调制后出光的脉冲数＜20，焊接效果如图4(a)所示。

在0.6×0.5mm区域内焊接6×5的点阵，采用CW模式脉冲出光，设置出光时间，设定点间距为0.1mm，激光焊接功率为170W，出光频率为10～50KHz，占空比为10～50％，出光时间设置为0.1ms，即外控触发一次，调制后出光的脉冲数＜20，焊接效果如图4(b)所示。

由图4(a)、4(b)可以看出，经CW数字调制后，对薄板进行焊接时未出现薄板被击穿现象，焊点直径在0.1mm范围内，焊点可靠，符合要求。

综上，本发明通过对激光器出光信号的控制方式进行改制，以较小平稳的方波多脉冲的方式实现薄不锈钢板、薄高反材料的焊接，来解决现有工艺不成熟的问题。通过对出光信号进行数字调制，触发一次出光信号，可以实现多个脉冲输出，从而以较小的功率实现单点多脉冲焊接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。