為了實現(xiàn)電接觸而連接導(dǎo)電零件是最常見的焊接應(yīng)用之一。它遍及幾乎所有的工業(yè)應(yīng)用場合，如汽車、電氣和電子設(shè)備，以及醫(yī)療設(shè)備。所采用的連接技術(shù)需要綜合考慮到成本、焊接性能以及產(chǎn)量。隨著零件尺寸不斷縮小以及性能要求的逐步提高，一切傳統(tǒng)的連接技術(shù)，如壓接、熱焊接和釬焊都不再適用。相比之下，定位焊接憑借著焊點(diǎn)完整、牢固且傳導(dǎo)性能良好等優(yōu)勢，很快成為必備的標(biāo)準(zhǔn)焊接技術(shù)。 首選的材料是銅，因為它能夠有效地傳導(dǎo)能量和傳輸信號。銅的材料特性使它非常適合作為導(dǎo)體，但是很難被焊接。此外，由于零件尺寸變小，接點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到“微型焊接”尺寸，這樣，焊接的難度就更大了。 銅的微型焊接給這些小型導(dǎo)電零件的熱平衡控制帶來巨大的挑戰(zhàn)——因為必須要保證焊接的質(zhì)量，同時確保不會過熱或者受熱不足。制造商們能否同時滿足這些要求呢？是的，利用波長為532 nm的綠色激光焊機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)。在討論目前各種可選的焊接技術(shù)以前，我們先定義一下微型焊接：微型焊接是兩種材料的接合，其中至少一種材料的厚度小于0.02英寸。目前可選的技術(shù)包括：超聲波焊接技術(shù)，電阻焊接技術(shù)和激光焊接技術(shù)。 超聲波焊接技術(shù)是一種有效的焊接技術(shù)，被用來連接銅板和其他零件；然而，這是一個機(jī)械連接的過程，它受限于零件的機(jī)械力、接口特點(diǎn)、接點(diǎn)的幾何形狀，以及不同零件的形狀組合。 電阻焊接技術(shù)是一種切實可行的技術(shù)，但是，它受到接點(diǎn)形狀的限制，并且需要購買小型傳導(dǎo)電極，還需要維護(hù)。 因為超聲波焊接和電阻焊接兩種技術(shù)都需要與零件直接接觸以產(chǎn)生接點(diǎn)，總的焊接時間等于制動周期加上焊接時間。對于大規(guī)模制造業(yè)來說，這意味著大量的時間延遲。 與此相反，激光焊接是一個非接觸的加工過程，只需要單向加工。它能夠加工很小的面積，焊接各種不同形狀的零件。看起來似乎很適合銅材料的焊接，但是，這里還有一個問題。在波長1064 nm處，銅材料的反射率大于90%。因此，為了克服初始反射率高的問題，就需要很大的功率密度。一旦激光接觸到材料，材料開始熔化，反射率就會迅速下降。初始時所需要的功率密度遠(yuǎn)大于焊接時所需要的功率，導(dǎo)致材料過熱蒸發(fā)，在焊點(diǎn)處孔隙率過高，或者形成一個空洞。 許多不同的技術(shù)已被用來克服這個反射率的問題，包括脈沖整形、利用氧氣輔助，以及采用反射率小的覆層金屬。 激光整形技術(shù)并不是很可靠，因為銅以及其他導(dǎo)電零件的反射率存在一定的變化，這樣減小激光功率的時間點(diǎn)也需要相應(yīng)的進(jìn)行變化。目前，已有技術(shù)人員嘗試?yán)梅答伡夹g(shù)來估計這個時間點(diǎn)，但是，這些試驗并沒有成功。利用氧氣作為輔助氣體，大大地提高了線形銅焊接中激光的穿透率，因為待焊接的零件上被覆蓋了一層氧化物薄膜。但是，該技術(shù)并不適用于點(diǎn)焊接，因為氧氣的輔助作用必須在連續(xù)幾個脈沖走過之后才能顯現(xiàn)出來，這樣，在單個點(diǎn)或者短焊縫的焊接中，該技術(shù)就無法提供可靠的結(jié)果。采用反射率較小的覆層，比如鎳或者錫，的確能夠降低初始的反射率，但是，它無法完全解決問題，因為在激光與銅作用的過程中，仍然需要很大的能量使得激光耦合到銅材料。因此，微型焊接的可加工范圍就非常? ?為了在銅材料表面形成良好、穩(wěn)固的激光焊接點(diǎn)，就找出阻礙良好焊接的根本原因——材料反射率。當(dāng)波長從1064 nm變?yōu)?32 nm時，銅以及其他材料的反射率就大大減小了（見表1）。采用532 nm波長的激光使得激光光束持續(xù)耦合到銅材料上，并且穩(wěn)定了焊接過程。圖1給出了采用1064 nm和532 nm激光對沒有鍍層的銅材料進(jìn)行焊接后的結(jié)果對比。采用532 nm激光時在銅材料上的焊接效果，可與1064 nm激光在鋼材料上的焊接結(jié)果相媲美。 為了對銅材料成功地進(jìn)行微型焊接，必須采用波長為532 nm的綠色激光。實現(xiàn)該波長可以有兩種方式，最常見的方法是利用調(diào)Q激光器，但是這樣的激光器沒有足夠的脈沖能量進(jìn)行焊接。更新型的技術(shù)是采用Nd:YAG脈沖激光器，它所得到的532 nm激光，峰值功率達(dá)到1.5 kW，脈寬5 ms。這就提供了足夠的焊接能量，能夠穿透厚度達(dá)350微米的銅板。這樣的能量，在大多數(shù)微型焊接應(yīng)用中已經(jīng)足夠了。采用由光纖傳輸?shù)腘d:YAG脈沖激光的另一項好處是光束的亮度低，這提高了焦斑點(diǎn)處吸收光的程度，避免了在焊點(diǎn)中心形成過熱點(diǎn)而產(chǎn)生不穩(wěn)定性。 眾多的應(yīng)用領(lǐng)域 產(chǎn)品中的電氣連接在其尺寸、形狀與材料上存在著很大的區(qū)別。因此，這里給出了一些例子來說明532 nm激光焊接的性能和優(yōu)勢。 半導(dǎo)體連接 圖2中給出了焊接到金屬板上的0.0015英寸厚的鍍金銅線。由于銅線橫向比較寬，但是厚度很小，所以必需用一個尺寸相對較大的光斑來進(jìn)行焊接。在這種情況下，具有長脈寬和低峰值功率的激光能夠提供較好的能量流，而且光束的低亮度使得扁平的銅線在整個橫向的寬度上都得到均勻的加熱。 平面與圓型端點(diǎn)的連接 激光加工具有高度的靈活性，特別是當(dāng)加工的接點(diǎn)以及兩端的幾何形狀不同時更為有利。圖3給出了側(cè)向為矩形的鍍金銅制連接器與鍍銀銅線之間的焊接點(diǎn)。焊接點(diǎn)呈“煙斗”狀，線的一端與頂端之間形成焊點(diǎn)。激光光束與銅線的圓型頂端以及銅板平面之間的耦合使得整個焊接過程非常可靠。同樣的，由于激光光束的亮度低，使得整個加工過程更有利于零件的接合。線到平面的連接 另一種焊接構(gòu)型是焊接實心和成束的線。當(dāng)線被焊接到薄板上時，線與板子都必須同時不斷對激光能量進(jìn)行吸收，以保證焊點(diǎn)的固定性（圖4）。類似的，當(dāng)焊接成束的線時，必須控制線的分布，以確保整束線對激光的吸收。 框架的焊接 在大規(guī)模生產(chǎn)中，若要焊接框架上的不同接點(diǎn)，其關(guān)鍵就是焊接質(zhì)量和焊接速度。由于激光焊接是一個非接觸式的過程，它非常有利于大規(guī)模的生產(chǎn)加工。在整合了激光光束的移動后，它能夠在一秒鐘內(nèi)得到許多個焊點(diǎn)（見圖5）。 不同材料之間的焊接 當(dāng)焊接的材料有不同的吸收率時，經(jīng)常出現(xiàn)的情況是：吸收率大的材料過熱，導(dǎo)致材料飛濺或者產(chǎn)生孔洞。通常，克服這個問題的辦法是加工時偏向其中一種材料。但是，對于小型零件來說，即使很微小的吸收不均也會導(dǎo)致焊接過熱。如果采用波長為532 nm的激光，由于兩個零件的反射率更為接近，就能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程的能量平衡，從而大大提高可焊接率（如圖6）。 小結(jié) 銅材料的焊接是一個比較困難的工序，而微型銅焊接使得該加工的難度更大。激光焊接是實現(xiàn)銅材料的接合過程的一項實用技術(shù)，它采用非接觸式的加工方式，十分適用于自動化的加工過程。然而，銅在1064 nm波長處的反射率很高，阻礙了激光加工的實現(xiàn)。為了克服這個困難，我們采用532 nm波長的綠色Nd:YAG激光焊機(jī)，它為銅材料和其他導(dǎo)電材料的大規(guī)模微型焊接提供了行之有效的方法。 本文作者Geoff Shannon和Paul Severloh來自美國Miyachi Unitek公司，公司網(wǎng)址：www.muc.miyachi.com。