光器件激光焊接基础资料

激光焊接技术简介

2017-8-1

激光—全称为受激辐射光放大，它是一种新光源，其所具有的相干性、单色性、方向性与高输出功率等特点，是其它光源所无法比拟的。激光焊接是通过光学系统将激光光束聚集在很小的区域，焦平面上的功率密度可达到10×10w/cm2，在极短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点或焊缝。

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/ cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/ cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

激光深熔焊接的原理。

激光深熔焊接原理：一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000C左右，热量从这个高

温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材料、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。近年来，几乎所有的电子产品，如电脑、电视机、手机、数码相机以及许多电子元器件等，在生产制造中都不同程度地应用了激光焊接技术。

激光焊接设备

用于光器件封装的激光焊接设备主要有单光束焊接、三光束焊接和四光束焊接三种焊接设备，也有个别公司有用到双光束焊接设备，下面就谈谈这四种焊接的设备。

单光束激光焊机：顾名思义，单光束焊机每次焊接只有一束激光，在没有焊接时激光焊机会有一束红色的指示光束，此指示光束就是焊接时激光的前进路线。基本每台单光束焊机都配有一个显微镜，通过显微镜，可以清晰地观察到红色指示光束光斑聚焦在需要焊接的点上，

以得到很好的焊接精度。

双光束激光焊机：双光束焊机每次焊接时会产生两束激光，这两束激光前进的路线会在同一个平面内，焊接时就会形成对称的两个焊点。由于在激光焊接过程中，激光会对焊接点产生一个冲击力，从而会导致焊接的两个材料产生相对的位移，因此与单光束焊机相比，双光束焊机是同时对称地焊接两点，在两个激光的功率相等的前提下，可以减小焊接对相对位移的影响程度。

四光束激光焊机：四光束焊机每次焊接会产生四束激光，要求四束激光都要在同一平面内，焊接时要产生分布均匀的四个焊点。由于一次性焊接四个焊点，要保证每个焊点的质量，就要保证每束激光的光强度，也要保证四束光强度要一致，这对设备是一大考验。但是在对光器件进行焊接时，焊点数量是有要求的，而每次可以焊接四个焊点，可以成倍地增加操作人员的工作效率，因此现在四光束焊机在光器件封装中运用比较广泛。

三光束激光焊机：三光束焊机每次焊接会产生三束激光，要求三束激光都要在同一平面内，焊接时要产生分布120度的三个焊点。由于三点成面，更有利于产品稳定性，因此现在很多光器件厂家都转用三光束焊机。

激光焊接机基本构成及作用

最简单的激光焊接机如同一台典型的激光器，具有良好的单色性、相干性、方向性和高能量密度。利用这些特性，激光束聚焦产生巨大

的功率密度，从而使激光加工成为可能。激光器用于产生激光束，激光器由激光谐振腔、激光电源和冷却系统组成。

激光谐振腔由YAG晶体、氙灯、聚光腔及谐振膜片组成。其中，YAG晶体是激光器的核心器件。YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器，钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。YAG 的波长是1.064um，谐振腔决定激光束的光学质量。

冷却系统：电能转换成激光，其光电转换效率只有3%左右，大量的电能都转换成热能。这部分热能对激光器件有巨大的破坏力，使YAG 激光晶体及氙灯破裂，聚光腔变形失效等，所以必须有冷却系统提供冷却保障。考虑到系统的光学效率，冷却介质一般为去离子水或蒸馏水。以保证内循环系统不受污染。水冷系统中安装有水压继电器，以保证当水压达到一定值时，主电路方可运作，确保氙灯发光时处于冷却状态，避免事故的发生。冷却系统配置有温度传感及报警装置，可对冷却系统的水温进行显示和范围设制，当水温达到设定值时，即呜叫报警，以担醒用户立即关机（不关水泵）。待水温下降至适宜温度后再开机。为保证安全，冷却系统不工作时，激光焊接机应立即停止运行。

激光焊接的工艺参数

功率密度：功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。

对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说，对一定直径的激光束，熔深随着光束功率提高而增加。

光束焦斑：光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一，因为它决定功率密度。但对高功率激光来说，对它的测量是一个难题，尽管已经有很多间接测量技术。光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算，但由于聚焦透镜像差的存在，实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法，即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践，掌握好激光功率大小和光束作用的时间。

材料吸收值：材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等，其中最重要的是吸收率。影响材料对激光光束的吸收率的因素包括两个方面：首先是材料的电阻系数，经过对材料抛光表面的吸收率测量发现，材料吸收