专利名称：激光点焊方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于激光点焊的一种方法及一种装置，在本发明的方法中将激光束导向待焊材料。激光点焊是一种接合技术，其利用激光束来局部加热两个待连接零件的材料。从而将激光束聚焦到材料表面的一个有限区域上(下文称为“焊点”)，其中激光束的功率密度很高，因而两个零件的材料的熔化和熔融得以在短时间内实现。当该技术用于在小型产品上作微焊接时，将其称为“激光微点焊”。由此，处理时间非常短，例如在0.5-20ms(毫秒)的数量级。
小焊点与短处理时间的结合导致有限的热影响区，使该技术对于接合那些需要良好控制的物理尺寸和/或几何稳定性的小型精巧零件，以及对于板状材料不同部分的复杂结构，成为很好的候选技术。激光点焊可用于焊接多种金属和金属合金，例如铜以及多种类型的钢和不锈钢。
倘若在点焊操作开始之前，已经确切地知道待焊零件的属性、状态和尺寸，则点焊操作的有效控制是可能的。在此情况下，如果使焊接操作的控制适合于所述属性、状态和尺寸，则该焊接可具有预定的质量和尺寸。然而，在大多数情况下，并不确切知道待接合零件的材料属性和/或条件和/或尺寸。这样，焊接的质量发生变化，并应通过随后的检查来判断。
本发明的一个目的是一种借助于激光束的点焊操作，从而以这样的方式监视该操作，以使在点焊操作过程中，探测所形成的点焊的质量，和/或使所述质量得以提高。
为达到该目的，在焊接操作过程中，探测在焊点处所述材料的表面温度。因而焊接操作包括一个时间段，该时间段包括将激光束导向待焊材料的时间，以及切断激光束后材料冷却下来的时间。为测量焊点处有限区域中材料的表面温度，可通过例如InGaAs光电二极管或另一个红外探测传感器来测量来自该有限区域的红外发射。
所施加的激光能量将穿过待接合零件的材料而扩散，在材料中形成一定的温度梯度分布。该分布很难测量到，但是可通过测量其表面温度的动态响应(即随时间变化的特性)来提取关于该热量分布的信息。例如，可探测到两个待接合零件之间的金属接点的实际存在。验证试验表明，已知的InGaAs光电二极管传感器可令人满意地探测来自焊点表面的红外发射。
优选的是，激光束在其射向焊点的途中被镜子反射，而来自焊点的红外辐射穿过所述镜子，并由传感器对其进行测量，以确定焊点处的表面温度。传感器可被置于镜子后面。因而，欲利用传感器测量的红外发射沿着与该激光束相同的路径行进，尽管沿相反方向。由此，保证了测量到的红外发射仅来自该焊点区域。
在一个优先实施例中，依据焊接工艺的冷却阶段中所探测到的焊点表面温度来确定焊接，尤其是好的焊接的存在与否。在焊接操作的这个最后阶段，可切断激光束，或大幅降低激光束的功率。因而焊点处材料的表面温度下降，这主要是因为热量将穿过材料而扩散。在两零件的熔化材料已形成良好熔合的情况下，这种扩散会更快地发生。然后两零件之间的焊接可充当一个热传导的桥梁，由此，热扩散将通过两零件的材料而发生。于是，切断激光束后，表面温度相对较快的下降可得到“形成了正确焊接”的结论，而相对较慢的温度下降可得到“未形成焊接或未形成良好焊接”的结论。
当激光束打开后，由于材料中能量的吸收，表面温度将升高。通过测量表面温度，可探测到材料表面处固-液相变的时刻，这是由于材料的相变温度(熔化温度)是一个已知参数。
因而，在一优选实施例中，当探测到预定的表面温度水平时，减小激光束的功率，该表面温度水平为固-液相变温度(熔化温度)或一个接近于该温度，特别是刚好高于熔化温度的温度。特别是，当焊接铜材时，液态材料中激光功率的吸收系数远高于固态材料中的吸收系数。因此，当材料开始熔化时，通过减小激光束功率，可使焊接工艺保持稳定。
优选的是，依据探测到的焊点处材料的表面温度来控制激光束的功率。这种反馈控制通过在表面温度升高至所述预定水平以上时减小激光束功率，以及在表面温度降低至所述预定水平以下时增加激光束功率，来将例如在一定时段中的表面温度保持在一个预定水平。并且，可选取期望的设定点轮廓(该时段中设定点的变化)，从而使表面温度遵循所述轮廓。
在一优选实施例中，在表面温度已达到预定水平之后，启动导向焊点的激光束的功率的反馈控制，所述预定水平优选地为与待焊材料熔化温度接近的温度。因而能够以有效方式控制激光点焊操作的熔化阶段。
于是，当测量焊点处的表面温度时，可使用该温度的值和/或其变化来判断焊接质量，尤其是判断一个良好焊接的存在与否，和/或用于确定材料开始熔化的时刻，和/或用于通过反馈控制来控制激光束的功率。所有这三种方法可被看作单独的发明，因为这三种方法中的每一种均可独立于其它两种方法使用。
在一优选实施例中，探测从焊点反射的激光辐射，以便计算待焊材料吸收的激光功率。在入射到焊点的激光束的功率中，仅有一部分功率由待焊材料吸收，而其余部分由焊点处的材料表面反射。
在一优选实施例中，依据待焊材料吸收的激光功率来控制激光束的功率，因而，优选在表面温度已达到预定水平之后启动反馈控制，该预定水平优选为与待焊材料熔化温度接近的温度。
所吸收的激光功率是用于控制入射到待焊材料的激光束的功率的一个重要参数。所吸收的激光功率可对时间积分，以计算待焊材料吸收的激光能量。优选的是，为了计算所吸收的激光功率，应确定所反射的激光辐射的功率，以便从入射到材料表面的激光束的功率中将其减去。
在一优选实施例中，当待焊材料吸收预定的激光能量后，切断激光束，或减小激光束的功率。似乎当所吸收的能量保持在一恒定值时，可获得良好质量的焊接，该值可通过实验轻易确定。
优选的是，所反射的激光辐射如下确定。所反射的激光功率从焊点表面沿不同方向辐射。光学系统捕捉到一定部分(小部分)的反射的激光辐射，激光束正是通过该光学系统被导向焊点的。可用一个传感器，例如一个锗光电二极管来测量该一定部分的功率。感应到的激光辐射功率与反射的功率成正比，于是，总反射激光辐射可通过将感应到的功率乘以一定的系数来计算，该系数可通过实验轻易确定。
入射到焊点的激光束的功率可根据激光装置的数据来计算，但也可根据光学系统中的测量值来计算，正如下文将进一步解释的那样。
在一优选实施例中，激光束在其到达焊点的途中被镜子反射，一部分来自该焊点的反射激光辐射穿过所述镜子并由传感器对其进行测量。
入射到待焊材料的激光束功率的反馈控制，依据所吸收的激光功率，可被看作一个单独的发明，因为它也可独立于本说明书中描述的其它方法而应用。
本发明还涉及一种用于激光点焊的设备，其包括用于将激光束导向待焊材料的装置，其特征在于存在温度探测装置，用于在焊接操作过程中探测焊点处所述材料的表面温度。优选的是，存在控制装置，用于依据所探测到的表面温度来控制激光束的功率。
优选的是，存在用于计算由待焊材料所吸收的激光能量的装置，并且存在用于依据所吸收的激光能量来控制激光束功率的控制装置。
现将参照附图来进一步阐释本发明，该附图包括多幅图，其中
图1A-C表示了不同的激光点焊几何形状；图2A-D表示了一个点焊操作的不同阶段；图3表示了激光功率随时间的吸收率；图4表示了具有不同传感器的激光点焊机构的实例，以及图5表示了用于激光点焊的控制策略。
激光点焊是一种接合技术，它可用于多种形状的多种材料的连接，特别是板状金属材料的连接。例如，它可用于小型产品的微焊接。该接合技术的典型特点是在激光束工艺操作的过程中，激光束保持聚焦在同一点上。在微点焊的情况下，这种工艺操作时间很短，例如0.5-20ms(毫秒)。工业中采用几种不同的焊接类型，其中直立边焊(standing edge weld)、搭接角焊(overlap fillet weld)和搭接熔透焊(overlap penetration weld)为最重要的类型。
图1A、1B和1C表示了这些激光点焊的几何形状。板1通过点焊3、4、5连接到板2。在图1中，两板1和2彼此相隔一定距离，然而，实际上它们可以相互接触，因而经常在两板1和2之间包裹有灰尘或其它物质。因为这些板通常并不完全平坦，在相互紧靠的两板1和2的表面之间经常会有未知的小间隙。图1A表示了一个连接两板1和2的两个边缘的“直立边”点焊3。图1B表示了一个“搭接角”点焊4，由此，焊接4将板1的边缘连接到板2的表面上。图1C表示了一个“搭接熔透”焊接5，由此，两板1和2的表面通过焊接5连接起来。在图1A、1B和1C中，箭头6表示激光束的方向。
搭接熔透焊是最为关键的几何形状，因为激光能量在工件上的分布受两金属零件之间的界面影响很大。图2A、2B、2C和2D表示了在搭接熔透焊几何形状中点焊工艺的不同阶段。这几幅图示出了两块金属板1、2，其中箭头6表示垂直入射到上板1的激光束6。激光束反射和红外辐射用箭头7表示。
图2A表示熔化前的阶段，这里，对于很多材料来说，激光功率(能量)的吸收率随着温度上升而增大，于是在加热过程中，工艺或多或少地加速。图2B表示熔化阶段，这里，在焊点区域内，板1的材料起初为部分固体和部分液体，而在熔化阶段末尾成为完全的液体。液态材料用数字8表示。图2C表示完成的热传导焊接。几乎不存在任何蒸发，且板1的表面或多或少地无变形并且是平坦的。在更强激光束的情况下，将出现图2D中所示的情形，即所谓的锁孔点焊(keyhole spotwelding)，因而，蒸发材料的反冲压力将液体推到一边从而接触激光束。
在点焊过程中，吸收系数有变化，而且例如热导热系数的其它参数也可能改变，其取决于材料的温度和材料的相态(固态或液态)。而且，依据待焊材料和该材料的状况，初始吸收系数可变化。例如在铜材的情况下，在材料表面加热过程中，激光束的吸收率缓慢增大，但在熔化开始时刻，吸收系数几乎加倍。因此，在熔化时刻，立即减小激光功率对于保持工艺处于稳定操作很重要。然而该时刻依赖于起始阶段中的功率吸收量，即使10％的变化(其可从正常氧化预测到)也足以造成稳定性问题。借助于一种像氧化、蚀刻、喷砂或涂覆那样的预处理，通过提高和保证“初始”材料的吸收率，可使问题化小。该预处理的影响在熔化阶段一开始后将马上消失。当工艺进入锁孔状态时，吸收率的另一变化将开始，在深锁孔工艺中，将激光吸收率提高至几乎100％。
对材料引入一个预处理，将在熔化前阶段中提供一个更好的限定的吸收率。一旦熔化后，像待焊零件之间距离那样的其它工艺参数的干扰效应仍然影响着工艺。实时反馈技术可处理吸收率变化以及其它工艺参数变化，例如影响焊接动态学性质的间隙(零件之间距离)变化，该焊接动态学性质例如为通过该结构的热扩散。
图3表示了在相继的各阶段中，铜零件点焊工艺的吸收率发生变化。该图表示了激光能量的最初吸收率对后继过程的影响。该图显示出在熔化前阶段中高吸收率的情况下，熔化阶段以及锁孔阶段将相对更早地开始(实线9)。当材料表面成黑色时，这种高吸收率将会发生。当表面磨光时，将有较低的初始吸收率，如实线10所示。在该情况下，熔化阶段和锁孔阶段将更晚地开始。两实线9、10之间的线代表介于10％和80％之间的不同的初始吸收率。于是，临界相变的确切时刻发生变化，这就是反馈控制技术可以帮助调节激光源输出到展开工艺的地方。
图4表示了激光点焊机构的实例，它具有用于监视焊接操作的不同的传感器，旨在一种有效的工艺控制，特别是反馈控制。图4仅示意性地表示了该机构，并未显示可以采用的更多的透镜、滤光器和光阑。
两个金属板1、2必须利用搭接穿透焊来相互点焊到一起。激光束经由一个400微米玻璃纤维15发出。来自玻璃纤维15的发散激光束16穿过透镜17，以获得平行激光束18。第一镜子19将激光束18导向可移动镜子20。镜子20可绕两根轴线稍微转动，如箭头21所示，于是可将激光束(以箭头23表示)准确地导向金属板1的表面的期望位置。在激光束23入射到板1的表面之前，该激光束通过透镜22，以使激光束23会聚而聚焦在焊点上。
第一镜子19反射激光束18的主要部分，然而，激光束18的一个预定部分未被镜子19反射，而是穿过镜子19。这种镜子本身为已知的。穿过镜子19的激光束26，在被镜子27反射并穿过透镜28以获得朝向传感器25的会聚激光束之后，其功率(能量)由传感器25探测到。传感器25是锗光电二极管。激光束26的功率与激光束23的功率成比例，因而在利用传感器25测量激光束26的功率之后，可轻易地计算出入射到焊点的激光束23的功率。
激光束23功率的一部分由板1的材料吸收，因此在激光束23入射到板1的点上材料被局部加热。然而，该激光束的其余部分由板1的表面反射，并从该表面放射开来，如箭头29所示。为了计算激光束23被板1吸收的功率，所反射的激光辐射的功率被如下探测到。
将所反射的激光辐射(箭头29)的一定部分导向透镜22。该所反射的激光辐射在穿过透镜22后，形成一激光束，该激光束遵循与激光束23相同的路线，尽管沿相反方向。该激光束在被镜子21反射后到达镜子19。如前所述，该激光束的一部分(一定部分)穿过镜子19。该部分形成激光束30。为形成会聚光束，激光束30穿过透镜31，且将该会聚光束导向镜子32。激光束30的一定部分穿过镜子32，正如镜子19的情况，于是到达传感器34的激光束33的功率与经板1的表面反射的激光辐射功率成比例。因而，在传感器34测量激光束33的功率之后，可以很容易地计算出所反射的激光辐射29的功率。激光束34也是锗光电二极管。
激光束23的能量与激光辐射29的能量之差即是板1吸收的能量。于是，可通过持续地探测激光束23的功率和所反射的激光辐射29的功率，并通过计算两者的能量而计算出任意时刻吸收的能量。
由板1的表面所吸收的能量的计算不能以极高的精度进行。实际机构不允许探测到全部的反射激光功率。如图4所示，仅仅测量出返回光学系统的孔径的反射功率。然而，在一些实际实验后，可对反射激光辐射中到达光学系统的部分(分数)作出合理的估计。另一方面，用第1镜子19后面的传感器25可靠地探测到输入激光功率，该传感器25探测一个已知的、固定分数的、穿过镜子19的入射激光功率。
所吸收的激光能量将通过待焊零件而扩散，在所述零件中形成一定的温度梯度分布。该分布很难通过在线测量来获取，但关于热量分布的信息可通过观察在焊点处材料表面温度的动态特性来提取。值得注意的是，可以探测到两金属板1、2之间良好的金属接触的实际存在。
为了测量焊点处的表面温度，通过所述光学系统的孔径捕获来自该表面的红外辐射的一部分，也用箭头29来表示，于是它穿过透镜22，并被镜子20朝向第一镜子19反射。该红外辐射的一定部分穿过镜子19和透镜31，并被镜子32反射。然后它将穿过所谓Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)滤光器36，该滤光器阻挡该激光辐射。镜子37将足够的红外辐射38导向传感器39，以使传感器39能够测量焊点的表面温度。传感器39是所谓的InGaAs光电二极管。
在依据图4的机构中，通过CCD相机40来观察焊点。因而，来自该焊点的由CCD相机探测到的可见光遵循着与反射激光辐射相同的路线穿过该光学系统，假如该光在到达CCD相机40的途中穿过镜子37。
在依据所述机构的实施例中，所有传感器25、34、39都具有局部前置放大器，被放大的信号馈送给滤光器单元。该滤光器单元对所有传感器信号进行直接的防混叠过滤。除此之外，用梳状滤光器处理来自这些光学传感器的信号，该滤光器抑制了通向激光器闪光灯的开关式供电电流的基频和所有高次谐波。这样，在传感器信号中完全抑制由该斩波频率造成的激光功率调制，并且该激光功率调制将不会干扰控制环。在该应用中选用硬件过滤，这是因为对于这样的控制行为，预计需要控制器的完全处理性能。
在本例中的控制器硬件是来自Microstar Laboratories的DAP5200a单采集处理器板。该板向8个模拟输入信道提供两个AD转换器，该AD转换器具有14位分辨率和高达400kHz(当使用所有信道时，50kHz/信道)的采样频率。提供两个模拟输出信道来驱动致动器。在该实施例中，仅仅一个模拟输出信道用于激光器单元的功率设定点。在板上的处理器上运行输入数据的处理和输出信号的产生。
图5表示了用于铜板激光点焊的控制策略，这里，水平轴表示时间。线42代表在焊点处所期望的表面温度。在熔化前阶段中，直到时刻t0，所期望的表面温度为T0，即是铜材开始熔化的温度。必须将材料从室温加热到刚好高于熔化温度的一个温度，而不存在由于如前所述的固-液相变困难而使工艺变得不稳定的过程。这是在直到时刻t0的熔化前阶段中实现的。一旦测量温度超过预设的阈值T0，那么就完成了熔化前阶段，并开始了熔化阶段。在该阶段中，将激光功率如此控制，以使测量到的表面温度遵循线42，由此PI控制器将温度从温度T0升高到所期望的熔融温度T1，并保持一段时间(线42的水平部分)，直到时刻t1，该时刻t1即是由板1、2的材料吸收预定激光能量的时刻。时刻t1为熔化阶段的末尾。在时刻t1，激光束功率下降或甚至被关断，于是焊接温度依据线42的最后部分下降到室温。对于铜，该冷却曲线并不十分严格。
图5的下部表示了激光束的功率(虚线43)被依据所期望的表面温度(线42)而控制。并且该图示出了焊点的实际表面温度(线44)和反射的激光辐射(线45)。
焊接工艺与待焊材料的热变化以及材料的相态(固态或液态)有直接关系。当材料从固相转变到出现材料熔融的液相时，焊接工艺剧烈地变化。因而，已定义了不同的工艺阶段，其中，一方面必须确定一个不同的模型，另一方面，必须确定一个不同的控制器。如前所述，可定义以下工艺阶段。
在熔化前阶段，可保持激光功率恒定，直到材料开始熔化(仅有一个P规则起作用)。接下来，在熔化阶段，根据熔化表面温度使用一个真实的控制方案来调节工艺(在该阶段中，使用PID调节器)。最后，在一定时刻(t1)结束熔化阶段，在此开始冷却。下文将更详细地描述这些不同阶段。
熔化前阶段涉及加热材料，直到熔化阶段开始。根据探测到的焊点处的表面温度来确定该时刻t0(见图5)。也可依据待焊材料，从反射激光信号的变化来确定该时刻。
熔化阶段是一个重要阶段，因为在该阶段中发生实际的焊接。该阶段中的目的可为保持温度恒定，直到熔化已达到一个足够的穿透深度的时刻。通常，该阶段的长度决定了焊接的质量和再现性。因而，可实施一个巧妙的规则，以适应性地控制该阶段的长度。
在该阶段中，可监视由材料吸收的激光能量。因而，可以按照使所吸收的能量保持恒定的方式控制熔化过程的长度。通过所吸收激光功率的积分来计算所吸收的能量，该所吸收激光功率即是入射到材料的激光束功率与反射激光辐射功率之间的差值，两者都被测量过，即根据测量值计算得出，如上所述。
在熔化后阶段，利用一定的冷却曲线来结束激光点焊操作。对于铜材来说，冷却曲线对于接合(焊接)质量并不太重要。然而，对于其它应用场合，冷却温度曲线可能对于焊接操作的质量至关重要。
已进行了验证试验，以比较利用某一固定脉冲形状的现有技术中的激光点焊与新式反馈控制点焊技术。该试验已经在洁净铜板以及脏铜板上做过。在板间使用过20、40和60微米厚的隔片，以便在各板之间形成相应的间隙。将100微米厚的铜板焊接到50微米厚的铜板上。该实验表明在新式反馈控制点焊操作中，间隙的实际尺寸并未带来很大区别。
表1显示了该实验的“洁净”版本，表2显示了针对脏板的类似实验的结果。第三列表示在接合板底部测得的焊接直径的扩张。该数字是对焊接工艺再现性的一个较好的度量。第四列简单地给出了不良(或失败)焊接的百分比。
表1100微米洁净铜板焊接到50微米的验证试验
表2100微米脏铜板焊接到50微米的验证试验表1表明在零件之间无间隙的情况下，开环操作工艺表现良好。反馈控制工艺有效地处理间隙的干扰效应(通过板的热分布的变化)。在使用脏铜板情况下，可观察到类似效应，同时带来一附加干扰。使用反馈控制工艺获得了接合技术的显著改善。
上述方法可同样良好地应用于铜以外的材料，特别是反射率较高和/或导热性能较好的材料。
在关断激光束后，焊点处材料表面温度的衰减特性显示出两种截然不同类型的曲线，该曲线表示良好焊接的存在与否。通过测量在冷却阶段中的信号电平，可监视焊接质量，这里激光束的功率显著降低或被关断。
除了区分良好焊接与失败的焊接以外，该技术也可用于监视发展中的点焊工艺。它可探测何时在待接合零件之间建立了有效的物理接触(传热特性的变化)，因而，在追求最佳结果的过程中，可改正工艺条件，这样例如补偿了零件之间的间隙效应。
以上仅描述了用于激光点焊的方法的一些例子；该方法的很多其它实施例都是可能的。
权利要求
1.一种用于激光点焊的方法，其中将激光束导向待焊材料，其特征在于，在焊接操作过程中，探测在焊点处所述材料的表面温度。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于，该激光束在其射向焊点的途中被镜子反射，并且来自焊点的红外辐射穿过所述镜子，并由传感器对该红外辐射进行测量。
3.一种如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，依据在焊接工艺的冷却阶段中所探测到的焊点表面温度来确定焊接的存在。
4.一种如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，依据探测到的焊点处材料的表面温度来控制激光束的功率。
5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于，当探测到预定的表面温度水平时，减小激光束的功率。
6.一种如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，依据由待焊材料吸收的激光功率来控制激光束的功率。
7.一种如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过从入射到材料表面的激光束的功率中减去所反射的激光辐射的功率来计算由材料吸收的激光功率。
8.一种如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，当待焊材料吸收预定的激光能量后，切断激光束，或减小激光束的功率。
9.一种如任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，在表面温度已达到预定水平之后开始对导向焊点的激光束功率进行反馈控制，该预定水平优选为与熔化温度接近的温度。
10.一种用于激光点焊的设备，其包括用于将激光束导向待焊材料的装置，其特征在于存在温度探测装置，用于在焊接操作过程中探测焊点处所述材料的表面温度。
11.一种如权利要求10所述的设备，其特征在于，存在用于计算由待焊材料所吸收的激光能量的装置，并且存在用于依据所吸收的激光能量来控制激光束功率的控制装置。
全文摘要
一种激光点焊方法，其中将激光束导向待焊材料，并且在焊接操作过程中，探测在焊点处所述材料的表面温度。可依据关断激光束之后，所探测到的表面温度来确定焊接是否成功。并且，可依据探测到的表面温度来控制激光束功率。为了控制焊接操作，还可探测来自焊点的反射激光辐射。
文档编号B23K26/03GK1729076SQ200380107084
公开日2006年2月1日 申请日期2003年12月19日 优先权日2002年12月20日
发明者P·杜尼亚斯, A·H·M·布洛姆, P·G·范恩根, C·海恩克斯, C·J·G·M·德科克, W·霍温格, D·K·迪肯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司