微技術正向眾多更先進的方向發(fā)展，如更小尺寸、更尖端復雜的技術、更高的局部智能化、更準確的在線可靠性預測以及更低成本等。這些發(fā)展趨勢將促使我們采用新型材料及組裝技術，從而推動脈沖激光器成為生產(chǎn)工具。此外，為了讓工藝速度適應于平均激光器功率，應當采用脈沖激光技術。目前，一些焊接應用需要極小的光斑直徑（30-40m），以及低至10mJ的脈沖能量。 低功率脈沖Nd:YAG激光器可以提供所需的光斑直徑，而且激光器參數(shù)也非常適用于薄金屬（40 m-1000 m）的微焊接。此外，眾多微焊接應用均需要良好的脈間穩(wěn)定性及低脈沖能量情況下高度的功率穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)令人滿意的工藝成品率。 本文將針對125W脈沖Nd:YAG激光器提供各種材料的微焊接數(shù)據(jù)，并介紹100W連續(xù)波光纖激光器可獲得的相關結果。 激光微焊接技術 激光微焊接技術可將兩顆毫米以下大小的部件通過焊接和材料熔合連接在一起，主要用于結構成型。激光微焊接技術廣泛應用于電子、醫(yī)學、一般工業(yè)應用以及汽車等不同領域中。 由于需要將異種的微型化金屬元件連接在一起，這一技術發(fā)展趨勢對焊接方法提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。異種金屬的可焊接性取決于眾多不同的因素。物理性質(zhì)對能量耦合和熱傳導有著顯著的影響。脈沖激光焊接工藝通過多種不同參數(shù)進行控制，其中包括平均功率、峰值功率、功率密度、脈沖持續(xù)時間、橫向速度和脈沖波形等。 自激光微連接技術早期發(fā)展以來，脈沖Nd:YAG激光器就一直是一種高效的技術選擇。光纖激光器和盤形激光器近期則作為潛在的激光微連接替代技術涌現(xiàn)出來。本文將介紹分別采用脈沖燈泵Nd:YAG與光纖激光器情況下各種材料的微焊接參數(shù)。 實驗工作 ● 脈沖燈泵Nd:YAG激光器 我們采用GSI新型Nd:YAG脈沖激光器（型號JK125）對一系列材料進行了焊接實驗。這種激光器擁有最高的光束質(zhì)量，不僅可提高工藝速度，延長作業(yè)距離，而且還能縮小光斑直徑，理想適用于微焊接要求。 激光器光束在15m×150 m的光纖中傳輸，光纖與配有聚焦光學器件的200mm輸出箱體進行端接。輸出箱體配有200毫米焦距再校準鏡頭，并在實驗中采用了各種聚焦鏡頭。圖1顯示了光纖末端與焦點處的激光光束輪廓圖。氬氣保護氣體使頂部焊縫在焊接過程中可防止焊接氧化，氣體通過10mm直徑的管道傳輸（速率為每分鐘10升）。激光束的焦點在工件表面上?！?光纖激光器 激光器用Scanlab Scanner（型號為Hurry Scan 10）設置。該掃描儀配備了160mm焦距鏡頭，計算得出的光斑直徑約為34 m。實驗期間的焦點位置處于樣本頂部。焊接期間使用氬氣保護氣體。通過在固定工件上掃描激光光束形成熔合線。單模光纖激光器發(fā)射出高斯光束，M2 <1.10（見圖2）。 實驗結果論述 ● 脈沖燈泵Nd:YAG激光器 脈沖激光光束焊接工藝可通過各種參數(shù)進行控制，其中包括平均峰值功率密度、平均激光功率、焊接速度以及脈沖持續(xù)時間等。本研究將側重于探討這些主要處理參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。薄金屬片微焊接技術的主要優(yōu)勢在于： a) 極低的熱輸入：僅在需要時才提供焊接電能，并可實現(xiàn)優(yōu)異的控制性能。 b) 清潔焊接：除了外觀美觀之外，清潔的焊接還有助于簡化消毒工作，便于與其他設備配合使用。 c) 強焊接：激光焊接次數(shù)少，強度高。 d) 密封焊接：與錫焊或銅焊不同，激光焊接能實現(xiàn)無暇的密封性能，這對于眾多微型應用而言至關重要。 本研究的重點在于明確薄材料板焊接的激光參數(shù)，下文僅給出對不銹鋼材料進行實驗所得的結果。其它材料的實驗結果，請通過電子郵件（naeemm@gsilumonics.com）聯(lián)系作者本人。 ● 不銹鋼（縫焊） 采用矩形脈沖激光束焊接，初始尖峰信號如圖3所示，材料厚度如下：縫焊厚度為0.5mm-2.0mm，點焊厚度為20 m-70 m。 0.5-2.0mm厚度材料在不同焊斑直徑下的焊接速度如圖4所示。通過實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖能量、脈沖寬度和峰值功率對確保良好的焊接質(zhì)量具有非常重要的作用。脈沖的熔池量取決于脈沖能量。就給定材料而言，實現(xiàn)一定熔接透入深度需要具備最低脈沖能量。 影響焊接性能的其它因素包括焦點位置、焦距和移動速度。由于長焦距的景深較好，所以采用較長焦距透鏡（160mm與200mm）焊接較厚材料（如1.5mm與2mm）時，其速度要稍快于短焦距透鏡（80mm與120mm）。● 不銹鋼（點焊） 薄不銹鋼板激光點焊具有以下特點：焊接熔池? ⒏呶錄凹痰墓ひ?guī)け间。焊接熔池的温度极笖]３３轄鸕姆械?。栽傆热过秤懶，随着慢Z宓姆⒄?，蒸发率也藡弋繝F偕仙Ｔ諑齔逯罩故?，由诱姼接熔池的繝F倮淙?，蒸发率钾擋技兲降至极禉E?。通过不锈钢薄片的点焊实褭─蕮慢Z宄中奔溆肼齔迥芰渴怯跋旌附又柿康牧醬籩饕蛩?。实验结果还仲x觶詰愫贛τ寐齔迥芰勘３趾愣ǖ那榭魷攏齔宄中奔淶謀浠岫院阜斐嘰綰橢柿坎饗雜跋歟饈怯捎詵逯倒β拭芏鵲謀浠斐傻摹? 不銹鋼板（20-150 m）的點焊廣泛應用于電子工業(yè)硬盤驅(qū)動器彎曲焊接領域。磁盤驅(qū)動器彎曲組件是300系列不銹鋼薄片部件，通過點焊搭接縫的方式將不同薄片連接在一起，每個設備包括四個不同的組件。最厚的組件是260 m厚的安裝板。在安裝板上通過兩對點焊將40 m厚的彈簧焊接上，另兩對點焊則通過彈簧焊接上70 m厚的承載橫梁。只有一對點焊通過40 m厚的彎曲焊接與承載橫梁相連。表面頂端部件上的焊縫直徑約為120 m-150 m，焊縫均不會滲透到底板。磁盤驅(qū)動器彎曲點焊的主要要求包括：防止焊接飛濺，焊料不能出現(xiàn)凹痕，且要達到一定的直徑大小以確保焊接強度。 我們研究了一系列激光與工藝參數(shù)（如脈沖能量與寬度、束斑大? ⒈；て寮敖溝鬮恢玫齲Ｑ芯拷峁礱鰨頤怯Ρ３制驕す夤β首愎壞?，磦蝤实现无薄板扭曲祿吓謱嶃焊? 點焊通過激光脈沖成形技術完成，但實際中已造成表面輕微的飛濺，這是不能接受的。我們要進一步優(yōu)化脈沖成形技術，以便消除焊接飛濺問題。用優(yōu)化后的脈沖成形技術進行點焊可獲得更好的效果。 關于焊接實驗的總結 我們用低平均功率脈沖Nd:YAG激光對眾多材料進行了焊接實驗，并研究了100W單模光纖激光器的性能。 ● 研究發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)拿}沖時間電能變化（脈沖成形），可就包括鋁、銅、合金等高反射材料在內(nèi)的多種不同材料實現(xiàn)高質(zhì)量焊接。 ● 將激光參數(shù)與脈沖成形技術相結合，可實現(xiàn)廣泛的異種材料焊接。利用脈沖成形技術，并非所有材料的焊接問題均能解決，但隨著脈沖激光技術的不斷提高，異種材料的焊接技術必將不斷進步。 ● 脈沖Nd:YAG激光微焊接技術的主要競爭對手是光纖激光器與盤形激光器。100W單模光纖激光器的簡單焊接實驗反映出： a)光纖激光器的光束質(zhì)量較高，可針對微焊接應用在脈沖與連續(xù)波運轉(zhuǎn)下實現(xiàn)較小的束斑尺寸(34 m)。 b)憑借100W的平均功率及小光斑，可充分實現(xiàn)多達0.5毫米厚的不銹鋼板焊接。焊接性能可與鈦合金相媲美。采用CW運轉(zhuǎn)時，受熱影響的區(qū)域相對于脈沖運轉(zhuǎn)而言要略大一些。 c)鋁合金、銅與黃銅等材料不能焊接。每平方厘米8.6×10W的功率密度不足以解決這些材料的反射問題。CW與脈沖技術的實驗結果類似。