激光微连接技术研究与应用进展.pdf

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1、激光微连接技术研究与应用进展赵兴科1，邢德胜1，刘大勇2(1．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2．航天恒星科技有限公司工艺与机械工程技术研究室，北京100086)[摘要]激光微连接是一种多功能的柔性制造技术，具有聚焦点小、能量密度高、热输入精确可控等优点，配合合适的工艺可以制造微小器件、尺寸精密器件以及异种材料组合器件，在各个工业领域具有广泛应用前景。关键词：激光；微连接技术；激光焊接DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．12．028赵兴科博士．北京科技大学材料科学与工程学院副教授。主要研究方向为焊接冶金与粉末

2、冶金、增材制造技术，微连接技术．电子封装等，主编教材《现代焊接与连接技术*、《电子组装技术一互联原理与工艺》。航空技术、电子技术及能源技术的进步使得器件趋向轻质化、小型化、精密化、智能化和复杂化等方向发展。传统连接方式面临着巨大的技术挑战，甚至无法实现。例如，光电技术在航空领域的不断发展，需要28航空制造技术·2017年第12期解决透明玻璃等材料的连接难题，而这一技术是制造光电器件的技术基础。激光微连接技术不仅能够达到航空器件大批量、小型化及精密化连接要求，而且能够满足航空领域新技术发展对微连接的技术需求。激光具有聚焦斑点尺寸微小、能量密度高且热输入精确可控

3、的特点，非常适合微细件的精密连接。激光微连接技术是相对于常规激光连接技术而言的，焊件的一个尺寸小于lmm，或者所得焊缝尺寸小于lmm2的激光连接都可以归结为激光微连接的范畴[1-21。激光微连接技术可以追溯到20世纪70年代，电子枪阴极射线管的制造中采用了激光微点焊工艺口]。当时的一个电子枪需要多达150个点焊组装完成。在其他很多工业领域，激光微连接已经成为某些微小产品的标准制造技术。在钟表业，齿轮和芯轴的传统压合工艺已完全被激光焊所取代；在汽车工业，越来越多的传感器组件，如继电器和控制单元等，需要激光微焊接技术以保证其安全可靠性。电子工业中，电子产品的大批

4、量制造和高可靠性组装也越来越多地应用激光微钎焊技术。利用激光在某些介质中的穿透特性，一些过去无法连接的玻璃、高分子材料及其与金属的组合件可以采用激光透射连接技术实现。激光微连接原理1激光源与工艺参数1．1激光源类型及其特点激光微连接与常规激光焊接所用的激光源没有严格差别。理论上各种激光源都可以用于激光微连接，并且各具优缺点。目前用于材料连接的主要激光源为CO，激光和Nd：YAG激光。Nd：YAG激光的波长较短，为CO，激光波长的1／10，有利于金属吸收，但不利于高分子材料吸收，如图1所示[4-51。另外，Nd：YAG激光波光束品质稳定，适合长时问微焊接。考虑

5、到激光微连接对热输入控制更加严格，一般采用脉冲激光阳】。光纤激光和半导体激光是两种新型的固体激光，它们都具有更高的光束品质，可以聚焦到很小的斑点尺寸。在低至100W的功率下光纤激光可以用于薄钢板的微焊接，但不适合焊接光反射金属材料，需要使用波长更短的半导体激光。目前激光源类型及其应用特点见图2i71。1．2激光焊工艺参数对于激光微连接而言，最重要的工艺参数是激光功率密度和聚焦斑点面积。高品质的激光束有助于减小激光聚焦斑点的尺寸，增加激光功率密度以及调控聚焦斑点上的能量分布，以便获得平顶、多点等模式。对于脉冲激光系统，激光微连接工艺参数还包括脉冲长度、脉冲峰值

6、功率、脉冲能量和脉冲重复率。调整脉冲激光输出能量有两种途径：能量(脉冲能量／脉冲峰值功率)和脉冲数(脉冲重复率)。增加能量激光作用与材料的热量增加而产生的热效应会导致激光束品质变差。避免这种能量调控受限的方法是将激光聚焦斑点分成多点；增加脉冲数也可以增加激光能力输出。但受残余热效应的限制，产生的等离子烟雾会降低后续脉冲的加热效果。2激光微连接接头的形成过程激光微连接的接头有点焊和缝焊两类。根据使用的激光源，缝焊又可分为断续点焊、同步焊、阴影焊或连续波焊，如图3所示【8]。激光微点焊的焊点尺寸范围一般为100—800“m，取决于激光斑点尺寸、激光功率和被焊材料

7、。焊接光反射材料时需要激光脉冲初始具有高的光强以破碎氧化膜并保证稳定的激光能量耦合，而适当的后续延长加热则有利于降低焊点裂纹的发生。典型的激光脉冲作用时间范围为1-15ms。激光微点焊的热作用范围小，适合于膜层、丝材等的连接一l。激光断续点焊是由一定数量的焊点通过相邻焊点的重叠形成一定程度连续焊缝的方法。断续点焊的工艺参数除了脉冲功率和脉冲长度外，还包括脉冲重复率和焊接速度。相邻焊点的重叠度，一般取60％。激光同步微连接是指使用合适的分光装置使激光束聚焦后形成狭长线段投射到焊件待焊部位，激光照射过程中，聚焦线段上的焊点(短焊缝)同时产热完成连接。激光同步微连

8、接的光束聚焦焦点面积被放大，能量密度降低，一般适合连