光器件激光焊接基础

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1.0um，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，材料吸收率与电阻系数的平方根成正比，而电阻系数又随温度而变化；其次，材料的表面状态（或者光洁度）对光束吸收率有较重要影响，从而对焊接效果产生明显作用。采用表面涂层或表面生成氧化膜的方法，提高材料对光束的吸收很有效。

焊接速度：焊接速度对熔深影响较大，提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料过度熔化、工件焊穿。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围，并在其中相应速度值时可获得最大熔深。

保护气体：激光焊接过程常使用惰性气体来保护熔池，当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护，但对大多数应用场合则常使用氦、氩、氮等气体作保护，使工件在焊接过程中免受氧化。氦气不易电离（电离能量较高），可让激光顺利通过，光束能量不受阻碍地直达工件表面。这是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。氩气比较便宜，密度较大，所以保护效果较好。但它易受高温金属等离子体电离，结果屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，也损害焊接速度与熔深。使用氩气保护的焊件表面要比使用氦气保护时来得光滑。氮气作为保护气体最便宜，但对某些类型不锈钢焊接时并不适用，主要是由于冶金学方面问题，如吸收，有时会在搭接区产生气孔。使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。特别在高功率激光焊接时，由于其喷出物变得非常有力，此时保护透镜则更为必要。保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。金属蒸

气吸收激光束电离成等离子云，金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激光束在某种程度上被等离子体消耗。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率，以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻，碰撞频率越高，复合速率越高；另一方面，只有电离能高的保护气体，才不致因气体本身的电离而增加电子密度。等离子体云尺寸与采用的保护气体不同而变化，氦气最小，氮气次之，使用氩气时最大。等离子体尺寸越大，熔深则越浅。造成这种差别的原因首先由于气体分子的电离程度不同，另外也由于保护气体不同密度引起金属蒸气扩散差别。氦气电离最小，密度最小，它能很快地驱除从金属熔池产生的上升的金属蒸气。所以用氦作保护气体，可最大程度地抑制等离子体，从而增加熔深，提高焊接速度；由于质轻而能逸出，不易造成气孔。当然，从实际焊接的效果看，用氩气保护的效果还不错。等离子云对熔深的影响在低焊接速度区最为明显。当焊接速度提高时，它的影响就会减弱。保护气体是通过喷嘴口以一定的压力射出到达工件表面的，喷嘴的流体力学形状和出口的直径大小十分重要。它必须以足够大以驱使喷出的保护气体覆盖焊接表面，但为了有效保护透镜，阻止金属蒸气污染或金属飞溅损伤透镜，喷口大小也要加以。流量也要加以控制，否则保护气的层流变成紊流，大气卷入熔池，最终形成气孔。为了提高保护效果，还可用附加的侧向吹气的方式，即通过一较小直径的喷管将保护气体以一定的角度直接射入深熔焊接的小孔。保护气体不仅抑制了工件表面的等离子体云，而且对孔内的等离子体及小孔的形成施加影响，熔深进一步增大，获得深宽比较为理想的焊缝。但是，此种方法要求精确控制气流量大小、方向，否则容易产生紊流而破坏熔池，导致焊接过程难以稳定。

透镜焦距。焊接时通常采用聚焦方式会聚激光，一般选用63~254mm(2.5”~10”)焦距的透镜。聚焦光斑大小与焦距成正比，焦距越短，光斑越小。但焦距长短也影响焦深，即焦深随着焦距同步增加，所以短焦距可提高功率密度，但因焦深小，必须精确保持透镜与工件的间距，且熔深也不大。由于受焊接过程中产生的飞溅物和激光模式的影响，实际焊接使用的最短焦多为焦距126mm(5”)。当接缝较大或需要通过加大光斑尺寸来增加焊缝时，可选择254mm(10”)焦距的透镜，在此情况下，为了达到深熔小孔效应，需要更高的激光输出功率（功率密度）。当激光功率超过2kW时，由于采用特殊光学材料构成光学系统，为了避免聚焦透镜遭光学破坏的危险，经常选用反射聚焦方法，一般采用抛光铜镜作反射镜。由于能有效冷却，它常被推荐用于高功率激光束聚焦。

激光脉冲波形：激光脉冲波形即每一次出光的激光能量变化过程，在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

焊接波形的过程定义：

纵坐标能量的定义：根据设置的最大电流计算出的在此电流下的最大输出能量，波形中按照此能量的百分比进行定义每段波形。横坐标脉宽的定义：每一次出光时，激光持续光亮的时间。激光的波形：每一次出光时，激光能量变化的过程。每一段的具体含义如下：上升部分为缓慢融化部分，增加下一步焊接的熔深；平行部分为焊接过程部分，完成焊接的过程，达到要求的深度；下降部分为缓慢降温部分，处理表面效果，减少因急速降温引起的金属结构变化。具体的波形定义根据实际情况选择，可能是一段：如不锈钢等，可能上两段：如模具补焊等，也可能是三段以上，如铜铝以及一些合金材料。焊接波形的选择需要根据焊接材料的相似程度选择，对于合金材料以低熔点的材料为参考设置波形。具体的能量选择需要根据材料的纯度、厚度来决定，对于精密焊接需要考虑室内温度、湿度、以及杂质的成分。 激光脉冲宽度：脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。加大脉宽可以加大单点激光能量输出，一般来讲，宽脉

宽导致的焊接变形较窄脉宽严重。在应力敏感的焊接中，一般宜采用窄脉宽焊接。在选择激光功率波形时，一般来讲，在输出相同的激光脉宽（ms ） 能量 （KW

离焦量：因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。焊接时，为了保持足够功率密度，焦点位置至关重要。焦点与工件表面相对位置的变化直接影响焊缝宽度与深度。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现高温汽化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。在大多数激光焊接应用场合，通常将焦点的位置设置在工件表面之下大约所需熔深的1/4处。

激光焦点位置选择：

焦点位置：光斑最小点、能量最大点, 等离子体是最高的,而且声音也是最高调的，点焊时可以使用，或者小能量且要求点最小的时候。负离焦位置：光斑略大，越远离焦点光斑越大，适合深熔焊的连续焊接及深熔点焊。

正离焦位置：光斑略大，越远离焦点光斑越大，适合表面封焊的连续焊接或者熔深要求不高的场合

穿透焊的一般工艺控制：单点如果背面可以看到轻微变色的痕迹，那么在焊接的时候可以做到比较好的穿透焊结；如果背面看到明显的痕迹，甚至可以感觉到已经穿透，那么，在焊接的时候会飞溅，甚至出现深坑。具体的要根据实际样品调整焦距和能量大小以及波形。

激光焊接工艺方法

片与片间的焊接：

包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。

丝与丝的焊接：

包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。金属丝与块状元件的焊接：

采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

不同金属的焊接：焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。对不同的材料进行激光焊接时，激光束位置控制着焊缝的最终质量，特别是对接接头的情况比搭接结头的情况对此更为敏感。例如，当淬火钢齿轮焊接到低碳钢鼓轮，正确控制激光束位置将有利于产生主要有低碳组分组成的焊缝，这种焊缝具有较好的抗裂性。有些应用场合，被焊接工件的几何形状需要激光束偏转一个角度，当光束轴线与接头平面间偏转角度在100度以内时，工件对激光能量的吸收不会受到影响。

激光焊接的材料

激光焊接效果与被加工材料的光学特性、物理特性和机械特性有关。光学特性：包括材料的反射率、吸收率、透过率等；物理特性：包括热传导率、热扩散率、密度、比热、热容量、熔融液粘滞性、汽化温度等；机械特性：机械加工精度、应力强度、材料可焊性、工件清洁度等。

首先在确定加工材料、尤其是两种以上不同的材料进行焊接加工时，要参考相关文献，确定材料能否被可靠的焊接，另外，不同材料对不同激光波长的反射率也不相同，反射率越高，激光焊接越困难。另外，不同材料的物理特性和机械特性也会对焊接效果产生至关重要的影响。一般来说，在点焊时，热传导率越大，焊接效果越好；相反，在缝焊时，热传导率越小，焊接效果越好。需要用户根据不同的应用要求进行合理的选择。

有时，即便是同一种材料如铝，由于铝的纯度及所掺杂元素的不同，因此有时其材料型号不同，所造成的焊接效果也不同，甚至相同型号的材料，来料批次不同，焊接效果也不尽相同；这时，需要用户根据不同的情况，适当调节激光焊接机的功率波形来改善。

材料是激光焊接所涉及的一个重要方面，因为好的焊接材料，对焊接后器件的外观、稳定性和各项参数都非常重要。

适合激光焊的材质有如下几种：

1、模具钢。S136，SKD-11，NAK80，8407，718，738，H13，P20，W302，2344等焊接效果较好。

2、碳钢及普通合金钢的激光焊接。总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。

3、不锈钢的激光焊接。一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。

4、不同钢材之间的激光焊接。激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢~低碳钢，416不锈钢~310不锈钢，347不锈钢~HASTALLY镍合金，镍电极~冷锻钢，不同镍含量的双金属带。

5、镀层对激光焊的影响。高平镜面镀层很难焊接：镜面镀铬、镀银、镀银等；一般镀层较易焊接：镀镍、镀锌、镀铜，对焊接强度无影响；高度抛光金属较难焊：铜、银、金焊接强度较小；其他处理易焊接：只要不是镜面焊接强度较大

6、间隙对激光焊的影响。缝越小，外观越好，强度越大，缝大时，出现较严重的槽状焊缝,强度也小。

7、材料厚度对激光焊的影响。0.2mm以下的材质，焊接难度大，焊接缝会有变形等现象，焊接牢固度变小。较厚材质，焊接外观较好，强度也大。

光通讯器件焊接应用

一般激光焊接要求：

1.错位小于0.2mm，错位较大会导致局部焊点熔深不足

2.缝隙小于0.05mm, 如果有缝隙,应力会随着焊接而增大

3.焊点必须对称，焊点数量大于6个

4.工件壁厚相对熔深应留有一定余量，避免击穿。各焊点间应留有2～

3个焊点的间隔，避免焊接连片造成应力过大。

5.最佳焊点位置应正好居于焊缝中间6.焊接时夹具不能遮挡住激光聚焦光束，否则会导致能量不对称造成

焊后偏移

7.最好有压配合

8.在某些镀镍镀金场合，一定要确保使用电镀处理工艺，避免因镀液

中的杂质造成焊接裂纹。

衡量激光焊接好坏的标准

1.焊点的外观：颜色，位置，大小。合格的焊点上下分布均匀，大小符合光器件的焊接要求，焊斑光亮、圆形、完整、中间略有下陷。焊点直径一般大约为0.6～1mm，熔深0.3～0.5mm，具体要视实际焊接条件调整。焊斑颜色是否发蓝，一般发蓝为杂质较多或欠焦导致。通过调整焊接机的能量、焊的入射角及精细变焦等工艺参数，观察火花的明亮程度和听激光打在器件上的声音，可以用来初步判断焊接的效果。最终，通过测试器件焊斑大小、熔深的的大小来判断器件是否满足要求。

合格焊点示意图

不合格焊点示意图

焊点检测：一般有目视检验和破环性检验两种方法。目视检验是根据自己的经验来判定焊接产品是否合格，但仅凭借此检验就下定论是不完善的。此时就需要进行破坏性检验，即破坏焊接母体进行熔深及剖面确认，此外也要利用推力计进行剪切力的检验。

2.焊点的剪切力：一般要求>30N，在壁厚及直径不足以满足焊接要求

的条件下，可适当降低至>20N。较低的剪切力会导致焊接结构不稳定，易造成焊后偏移。

3.焊后跑值<20%。一个良好的装夹及焊接系统，一般焊后应有65～

80%的比例跑值应<20%。

激光锤打

在光器件的封装过程中，先进行对准再进行激光焊接封装。在焊接时工件焊点的微小区域会在几毫秒的瞬间吸收大量的热能融化后又迅速冷凝恢复至室温，在这段急速升降温的过长中，巨大的温度梯度会导致热应力的产生，同时，工件由高温冷凝回固态而产生形态变化也会产生不小的残余应力，这就是产生焊后偏移（原先对准的光纤位置产生偏移）的主要因素。焊后偏移后再做一个补焊的动作称之为激光锤打，可以使光耦合效率回升，激光捶打是一种校正焊后偏移的较好方法

另外，由于封装组件表面不同区域对激光束能量的吸收不完全相同，激光分光单元以及光纤传输系统造成的误差等原因，各激光束到达工件表面时的能量可能存在差异，也会造成焊后偏移。在多光束对称点焊过程中，激光光束到达焊点处的能量差别也会造成一定的焊后偏移。多个焊点处激光的能量差别越大，焊后偏移越大。多个焊点处激光的能量不平衡时，焊后偏移的方向总是朝向焊点能量合成后的方向，也就是多个焊点焊接后应力合成的结果。

批量生产时质量控制

一般来说，若出现焊接加工不良，就有可能是被焊材料有问题，需要在检查焊接材料质量后更换材料，或者改变激光焊接机波形设定的工艺条件进行解决；若所焊接产品的同一部分连续出现焊接不良，那就很有可能是工作台和夹具出现了问题，若偶尔存在有焊穿或者虚焊现象，就需要检查焊接机的能量稳定性或工作台及夹具是否存在问题。

焊接品质的管理：在焊接过程中要经常用推力计对焊接剪切力测试，以使剪切力保持不变，同时要经常对焊的位置状况进行检查；要加强对电流的检测，避免出现电源的波动，焊接机超载运行，工件接触不良会导致电流减少等问题；要考虑加工件厚度，镀层厚度，金属成分等的变化，避免出现不良品。