专利名称：激光焊接方法
技术领域：
本发明涉及通过激光束将零件焊接在一起的方法。
背景技术：
这些方法是公知的，尽管在很多应用中能很好地实现，但是还存在很多缺点。其中一个问题是，当使用这种方法时，由于在焊接过程中蒸发的物质重新沉积在零件上，从而使零件污染。另一个问题是这种方法在焊接过程中要求零件之间的间隙具有精确的公差。
在已知的欧洲专利EP687519的方法中，要焊接的零件在激光束附近被压在一起以确保不超过零件之间的最大间隙。该方法在焊接过程之前和在焊接过程中显著地约束了对零件的处理以及约束了零件本身。此外，它还没有解决污染问题。
由于在零件之间的不恰当的距离引起的产品污染和/或不良焊接可导致产品被废弃，从而减小了该方法的效率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进效率的激光焊接方法。
为达到此目的，该方法的特征在于，其进行至少两个步骤，包括——第一步骤为以第一激光强度在至少一个零件上形成至少一个熔化物，和——下一个步骤为所述至少一个熔化物以高于所述第一激光强度的第二激光强度被推向另一个零件，从而所述至少一个零件和所述另一个零件被焊接在一起。
这种方法的效率较高，这是因为只有较少数量的产品会由于产品污染和/或不良焊接而被废弃。
污染主要是由于在焊接过程中被蒸发和重新沉积在产品上的物质。在该方法的第一步骤中几乎没有污染，因为其主要进行物质的熔化而不会或几乎没有蒸发。在该方法的下一个步骤中，使用更高的激光强度以蒸发一些物质，从而产生蒸汽反冲压力，其将把在第一步骤中产生的熔化物推向另一个零件。由于所述熔化物的熔化状态，减少了推所述熔化物所需的能量值，从而也减少了被蒸发物质的量。因此在下一个步骤中减少了污染。
当零件之间的间隙太大而不能通过熔化物跨接时产生不良焊接。在该方法的下一个步骤中，一个零件的熔化物被推向另一个零件，从而允许在零件之间跨接较大的间隙。因此该方法增加了要焊接的零件之间的容许间隙，从而减少了不良焊接的危险。
该方法优选应用于对零件点焊。在本发明的构思中，要焊接的零件之间的间隙(gp)与所述零件的相对侧之间沿激光束的轴向的距离相对应。能够通过焊接被跨接的最大值由首先产生熔化物的零件的厚度(ep)决定，所述厚度是在所述零件的相对侧之间的沿激光束的轴向的距离。
在应用根据本发明的方法时，甚至在gp≥0.4ep时，可得到清洁和适当的点焊，而用现有技术的激光焊接方法—即使有一点儿可能实现—也是一个很难实现的结果。
在特定实施例中，甚至在gp≥1.0ep时，也可得到清洁和合适的点焊，这显示出与现有技术的激光焊接方法相比，得到了2.5倍的容许间隙，还减少污染两倍。
在该方法的所述下一个步骤之后，进行随后的步骤是有利的，该步骤包括以另一个激光强度对该焊接进行焊后热处理以增加熔化物量，还不会或几乎没有物质的蒸发。
此外，激光束相对于要焊接的零件可具有各种位置。在一优选实施例中，该激光束可从产生该熔化物的零件的上方发出。在其他实施例中，该激光束还可从产生该熔化物的零件的下方或旁边发出。
该激光束优选基本上以直角冲击将产生熔化物的零件，但是，在难以达到要焊接的零件的实施例中，该激光束可以以某角度冲击。
在特定实施例中，可使用一个以上的激光束。在优选的情况下，使用两个激光束，第一个激光束从第一零件的上方发出，第二个激光束从另一个零件的下方发出，从而和单个激光束相比，其允许跨接甚至比零件之间的零件厚度之和更大的间隙。
该方法优选应用在对金属零件的激光焊接。
第二零件可通过在基底上的金属层形成或该第二零件包括在基底上的金属层。该基底可以是陶瓷基底或柔性基底(如塑料膜)或例如印制电路板。
该方法在实施例中具有特殊的应用，其中第二零件对热输入或污染敏感。如果金属零件必须和电子设备(如印制电路板)相连或相邻时可能是这种情况。在实施例中，使用一个激光束冲击第一零件，所述激光束不会穿透该第一零件，或者至少是发生这种事情的机会非常小，以致于在该第二零件中的直接的激光热输入也小。并且减少了污染。
根据本发明的方法也使得采用另外的方法不能焊接或很难焊接的材料能够被焊接。一个这样的例子是不锈钢(作为第一零件)在铝(作为第二零件或第二零件的顶层)上的焊接。已经发现通过根据本发明的方法，这种焊接可容易实现并没有很大污染，而在传统的激光焊接方法中，这种焊接是很难实现的，至少要使用过多的激光能量和存在着污染扩大，否则这种焊接几乎是不可能实现的。
本发明的这些和另外的方面将参照以下附图根据示例详细地进行说明，其中图1是根据本发明的优选实施例的激光束功率与时间的函数的图表；图2是根据本发明的优选实施例的进行板的激光点焊的方法的示意图；图3a和3b是根据本发明的方法的第一和第二步骤的各个示意图；图3c是根据本发明的方法的一个可选的随后步骤的示意图；图4根据本发明对两块不锈钢板进行点焊的横截面图，每块板有250微米厚，所述板之间的间隙为250微米；和图5是根据本发明的方法所形成结构的横截面图。
附图没有成比例画出。总之，相同的附图标记指相同的零件。
具体实施例详述一种根据本发明的优选实施例的激光焊接方法将在下文中详述。所述方法优选为对金属板进行点焊。允许进行这种焊接的一种装置的例子示意性地在图1中表示。该装置包括激光设备10，该激光设备发出的激光束11导向并聚焦在要焊接的板12、13的顶板12上；激光控制设备14，该激光控制设备14控制激光设备10的功率P激光；传感器设备，该传感器设备与测量设备15相连以测量要焊接的板在X和Y方向的位置；从该测量设备到激光控制设备14的反馈设备16，它用于适当控制激光设备的功率。在激光控制设备14与激光10的连线上的小图示意性示出了作为时间t的函数的激光束功率P激光。这将在图2和3a-3c中进一步描述。
图2示出用于一点焊接的作为时间t的函数的激光能量P激光。
第一时间段(T1)对应于该方法的第一步骤，其中在第一零件12上形成熔化物。在这段时间内，该激光以足够产生该熔化物的第一激光强度操作。
第二时间段(T2)对应于该方法的下一个步骤。以第二较高的强度操作激光。物质被蒸发，从而产生将把在第一步骤中产生的熔化物推向该另一个零件的蒸汽反冲压力。由于所述熔化物的熔化状态，推所述熔化物所要求的能量值减少，从而蒸发的物质量减少。
在一些情况中，进行随后的步骤是有利的，该随后的步骤对应于第三时间段(T3)。在该时间段熔化物增加。该步骤增加了焊接程度，从而增加了焊接强度。
图2中粗略地示出以一个非限定性例子为基础给出的各时间段，尽管它们对应于根据将要焊接的材料的特性和激光的一数量级范围内的实际值。
图2示出本发明的一个实施例，其中在T2时间段中进行单个高强度的激光发射。在一些实施例中，进行两个(更具体而言，多个)激光发射。第一高强度的激光发射激发熔化物并使之振动，然后对第二高强度的激光发射进行计时，使得与该熔化物向该第二零件的运动一起进行。以这种方式，焊接中需要较少的能量，并且污染较少。
图3a示出本发明的第一步骤。熔化物31在零件12中产生。
图3b示出本发明的另一个步骤。熔化物31被推向零件12。
图3c示出本发明的一个可选的随后步骤。熔化物的程度增加(熔化物31的部分31a)。在该例子中，该第三激光束强度基本上等于第一激光束强度，从控制的观点来说，它是一个优选的简单的实施例。但是，在一些实施例中，该第三激光束强度可以和第一激光束强度不同。
在图4中可看到根据本发明方法的实施例中所形成的点焊。它示出了在两个不锈钢板12和13之间进行点焊的横截面，每个板250微米厚，并以250微米间隙放置在对方的顶部。
该间隙被跨接，并制成实心焊缝31。
在该实施例中，激光束入射到零件12。如果使用两个激光束，一个入射到零件12上，一个入射到零件13上，甚至可以跨接更大的间隙。
图5示意性示出根据本发明的方法制成的结构。在两个板12和13之间，在制成的焊缝31之间，放置一个中间板51，其具有孔52，焊缝可通过该孔延伸。孔52比焊缝31大，以致于板51在零件12和13之间形成的间隙中具有一个运动自由度(如果其受限制的话)。以这种方式，可制成灵活结构。可用这种结构来使零件运动。
该方法可以以不同的方式应用。
在一些实施例中，使用单个激光束。尽管对于简化结构来说这是优选的实施例，在本发明的实施例中还可使用两个激光束，一个用于形成熔化物，另一个用于将熔化物推向第二零件。这里描述了很多可能的有利的用法，并不是对根据本发明方法的使用这样两个激光的实施例施加限制。
沿一条线进行激光焊接，从而第一激光(连续操作)可以稍微在以脉冲的形式操作的第二激光之前聚焦。
由第一激光发出的光的波长可以开始对材料加热，而由第二激光发出的光的波长可以开始蒸发材料。
应该指出的是，上述实施例说明了本发明而不是限制本发明，那些本领域的技术人员可以在不背离所附权利要求书的保护范围的情况下作出很多变化的实施例。在该权利要求书中，在圆括号内的附图标记不应该用来限制该权利要求。动词“包括”及其相关词不排除没有在该权利要求中提到的那些元素或步骤。
权利要求
1.通过至少一个激光束(11)将零件焊接在一起的一种方法，其特征在于，该方法进行至少两个步骤，包括——第一步骤为以第一激光强度在至少一个零件(12)上形成至少一个熔化物(31)，和——下一个步骤为所述至少一个熔化物(31)以高于所述第一激光强度的第二激光强度被推向另一个零件(13)，从而所述至少一个零件和所述另一个零件被焊接在一起。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个零件具有厚度，并且在零件之间存在间隙，该厚度(ep)是在所述至少一个零件的一侧和相应的相对侧之间的距离，该间隙(gp)是在该所述至少一个零件和该另一个零件的相对侧之间的距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法是点焊的方法。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，该间隙大于或等于所述厚度的40％(gp≥0.4ep)。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该间隙大于或等于所述厚度的100％(gp≥1.0ep)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括随后的步骤(T3)，其中以小于第二激光强度的第三激光强度操作至少一个激光束。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个激光束从所述至少一个零件的上方发出。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个激光束从所述至少一个零件的下方发出。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一步骤中，使用另一个激光束在另一个零件中形成第二熔化物，从而在第二步骤中所述至少一个熔化物和所述第二熔化物彼此被推向对方。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零件是金属零件。
全文摘要
一种激光焊接方法，其至少包括两个步骤，第一步骤为以低强度操作激光(10)一段时间T1，以在一个零件(12)上形成很少有或没有物质蒸发的一个熔化物(31)，从而减少了产品污染，而下一个步骤为以高强度操作激光(10)一段较短时间T2，以将所述熔化物(31)推向另一个零件(13)，从而在所述零件之间的大间隙可以被跨接，由于进行下一个步骤所需要的低激光能量而进一步减少了产品污染。可选的是，在第三时间段(T3)中进行第三步骤，其中对该焊接进行焊后加热。
文档编号H05K3/32GK1633346SQ01805376
公开日2005年6月29日 申请日期2001年12月7日 优先权日2000年12月22日
发明者D·K·迪肯, W·霍文 申请人:皇家菲利浦电子有限公司