激光焊接技術的研究現狀及應用

李志紅，黃博，羅志偉

（廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024）

激光是受到激發輻射后產生并放大的一種可見光。激光技術屬于精密加工技術，由于其輻射速度快、輻射功率高、響應速度快、輻射面積較小以及可控性強，在較短時間內可以實現精密切割、加熱和焊接功能，所以在近現代工業領域，如機械工程、微電子工程、汽車工程以及生物醫學等領域里被廣泛使用。激光焊接技術無論是在大型件焊接方面，如機車車蓋的焊接，還是在微焊接方面，如集成電路的微焊接，只要針對不同的焊接工況，選用不同焊接技術和焊接類型、改變焊接參數等方式，都能實現所需焊接要求。

1 激光焊接技術的原理以及分類

1.1 激光焊接的原理

激光焊接是把激光作為加熱源，利用激光的高能量密度這個特點，把若干方向的激光匯聚成一束激光，從而完成焊接工藝的過程。激光是由激光器產生的若干束激光，但是，每束激光的強度較弱，通過激光器的聚焦系統，將隨機的激光束匯聚成一束高強度激光并釋放出來，如圖1所示。若把激光作為加熱源，將激光照射到焊件上，對焊件進行熔化形成局部熔池，熔池冷卻后兩個焊件焊接在一起，即完成焊接過程。

圖1 激光焊接原理圖

1.2 激光焊接的分類

如圖2 所示，激光焊接可以分類成很多種：若按功率密度分類，則可分為激光熱傳導型焊接和激光深熔焊接；若按照輸出能量方式分類，則可以分為脈沖激光焊接和連續激光焊接；按照焊接類型還可以分為激光填絲焊接、激光點焊以及激光-電弧焊接。

圖2 激光焊接的種類

如圖3a 所示：功率密度小于104 ～105W/cm2為激光熱傳導焊，熱傳導型焊接的特點在于它的熔深淺和焊接速度慢，只熔化工件表面；而功率密度大于106 ～107W/cm2稱為深熔焊，大功率激光會使金屬表面受到高熱，瞬間產生的高溫使材料表面金屬發生汽化而形成小孔，使得金屬表面下陷形成孔洞——“孔穴”，這種“孔穴”稱為匙孔，所以深熔焊也稱匙孔焊，其特點是焊接速度快、深寬比大。

脈沖激光焊接一般用于點焊，根據脈沖信號來實現焊接，激光的發射時間取決于1 個周期的脈寬時間——脈寬越長發射激光的時間也就越長，一般適用在中小型焊接，焊接工件的厚度不能大于1mm，其影響參數為焊接時間。連續激光焊發射激光的信號是連續的，可以焊接厚度大于1mm 的焊件，其焊縫影響參數為焊接速度。脈沖激光焊接和連續激光焊接都會在工件上留下焊痕，如圖3b 所示，由于輸出激光的方式不同，兩者焊痕形狀不同。

激光填絲焊接絲通過激光照射到焊絲上，通過焊絲導管送絲，熔化焊絲進行工件的焊接，激光填絲焊一般是連續激光焊接，如圖3c 所示，激光點焊屬于脈沖激光焊接，一個脈沖完成一個點的焊接，其焊接原理與脈沖焊接原理類似，如圖3d 所示。激光-電弧焊是利用激光和電弧的雙重熱源進行焊接，如圖3e 所示，激光-電弧焊屬于熔深焊。

圖3

2 激光焊接的應用

目前，激光焊接技術較為成熟，廣泛應用于多個行業。由于激光具有高功率、高精度、高強度、局部瞬態加熱和可控性較好的特點，不僅可以焊接形狀復雜的大型曲面板材，也可以焊接微小零部件甚至用于精密醫用器械。如圖4a 所示，利用激光焊接汽車頂蓋和離合器齒輪。

激光-電弧焊接可以實現高精度、高強度焊接，還可以改善在焊接過程中激光燒穿的問題，廣泛應用于船舶制造業，如圖4b 所示。

如圖4c 所示，相比鉚釘固定，由于激光焊接具有焊接速度快、焊接強度高和焊縫成型小等特點，在飛機修理領域占有很大優勢，因此，被廣泛使用。利用激光焊接火箭鋁合金燃料貯箱的筋條與蓋板，成功解決了傳統鉚釘焊接所造成的部件重量增大、鉚釘焊接處容易腐蝕的問題。如圖4d 所示，利用激光焊接火箭的發動機外殼，并對殼體進行拉伸斷裂實驗研究，為火箭外殼焊接開辟一條新的道路[9]。激光微焊接還可以應用于醫療器械中血管支架的焊接[10]，如圖4e 所示，太原理工大學姚潤華使用Nd: YAG 激光器對鈦鎳合金SAM 進行血管支架的十字接頭的焊接。

3 激光焊接技術的國內外現狀研究

3.1 國外現狀研究

日本大阪大學的MOON J 使用不同波長激光組合焊，對厚度為0.1 ～0.3mm 的純銅板進行焊接，發現組合焊接后的純銅板焊縫強度比單一激光的焊縫強度要強。德國愛爾蘭根大學利用激光填絲釬焊技術，能夠在轎車底板V 型坡口或梯形坡口進行多層次多焊道的焊接，可以使鋼板焊接深度達到26mm。英國TWI 采用YAG 激光器對15mm 厚的CMn 板進行激光深熔焊接，得到了良好的焊縫，但是，還存在焊接工件上的小孔噴出的等離子體無法去除的問題。

德國的邁克船廠建立了世界上第一個激光-電弧焊接生產線，用于焊接船舶的甲板，分別使用對接和角接的焊接，每條焊縫在20m 左右。英國的焊接研究所（TWI）和的德國的BIAS 分別于2008 年和2009 年將激光-電弧焊用于高速列車上，對高速列車的鋁合金蜂窩板進行一次性焊接，焊接速度可以達到6m/min，成功地解決了由于鋁合金表面光滑和激光反射率較高而影響焊接質量的難題。日本也是在2008年建立了第一條激光-電弧焊生產線。S.Nolte 等使用波長515nm、脈沖能量500nJ、脈寬450fs、脈沖頻率9.4MHz 的飛秒激光，焦距4.5mm 顯微物鏡聚焦，以3.3mm/s 速度點焊光學接觸的石英玻璃，其焊縫彎曲強度可達25MPa、剪切強度可達54MPa。

圖4 激光焊接的應用

3.2 國內現狀研究

大連理工大學的張維哲以厚度為0.3mm 的SUS304 不銹鋼、采用Nd：YAG 脈沖激光器進行激光焊接實驗研究，采用激光深熔焊，對激光的焊接參數如激光功率密度、激光脈寬、焊接速度、脈沖頻率、離焦量等進行分析，分別進行單因素實驗和正交實驗，發現激光功率對焊縫熔寬影響最大、脈寬對熔深的影響較大。長春理工大學的皺春紅利用激光深熔焊分別對20G 鋼和20Cr2Ni4A 鋼進行了焊接質量的研究，得出了最佳焊接工藝參數，并對焊接的接頭進行力學性能檢測，得出焊縫處的拉伸變形小且焊縫的金相組織均為馬氏體的結論。北京工業大學的李曉宇利用激光透射焊接的方式對塑料材料PMMA 進行鍍膜研究，使用低熔點的鍍膜鋅粉作為鍍膜材料，并對宏觀形貌變化、拉伸測試、金相實驗對比、紅外光譜分析等方式對材料進行了分析，發現鍍膜厚度對焊接強度存在很大影響，得出鍍膜工藝參數——激光功率為8W、焊接速度為1000mm/s、掃描間隔為0.05mm 時進行焊接效果較好的結論。上海交通大學唐卓以船用低合金高強鋼分別進行了激光填絲焊和激光-電弧焊。使用激光填絲焊對低合金高強鋼進行焊接時，可以實現單道焊雙面成型，且具有焊接過程穩定、成形質量高、焊接變形小等優點。使用激光-電弧焊時，焊接過程穩定，焊縫表面平滑、連續，成形質量較好。

南京航空航天大學黃翔通過半導體激光器對Sn-Ag-Cu釬料和Sn-Pb 釬料進行了微焊接并做出力學分析研究，得出Sn-Ag-Cu 釬料的抗拉強度整體比Sn-Pb 釬料的抗拉強度高的結論。

4 本課題組微焊接研究的成果及展望

本課題組近年對面向微電子封裝的微錫焊設備關鍵技術進行了研究，基于微滴噴射技術，使用微噴裝置噴射錫膏微滴，激光作為加熱源，在PCB 板或IC 芯片上進行微焊接，擬得出激光微焊接工藝，揭示微焊接行為規律和工藝參數對微焊接質量的影響規律。以移動精度為0.01mm 的移動平臺作為實驗平臺，錫膏噴射閥、激光器固結在移動平臺的橫梁上，PCB 板放置在平板上，如圖5 所示。

圖5 錫膏微焊接實驗平臺

課題組對錫膏噴射閥噴嘴直徑大小、噴射供料壓力對噴射的焊球直徑大小、噴射一致性、噴射的可靠性進行了前期研究，對激光器閾值電流、激光頻率和焊接時間對焊接質量的影響也進行了試驗性研究，如圖6 所示：噴射的焊球直徑大小一致，大概為0.6 ～0.8mm，漏噴率為0.5%左右（見圖6a）；焊點直徑隨激光頻率的增大而增大，頻率為3Hz 時，焊點直徑最大（見圖6b）；閾值電流在0.1 ～2.8A 時焊點直徑隨閾值電流的增大而減小，閾值電流在2.8 ～3.2A 的范圍內焊點直徑隨閾值電流的增大而增大，當閾值電流大于3.2A 后焊點直徑保持不變（見圖6c）；焊接時間對焊點的直徑影響不太明顯（見圖6d）。

采用微錫焊實驗平臺對單頭插針圓孔座和顯示屏端口進行焊接實驗，如圖7 所示，試驗表明焊接質量可以滿足微焊接需求。

圖6 激光微焊接的初步實驗

在后期的研究中，基于微滴噴射技術，利用視覺檢測，繼續進行錫膏微滴噴射、焊點定位、定點激光加熱、焊點質量檢測、微焊接工藝等關鍵技術研究，優化激光焊接參數，形成適合錫膏微焊接的激光溫度曲線，揭示微焊接行為規律和工藝參數對微焊接質量的影響規律。隨著IC 電路高密度、小型化的發展，IC 芯片特征尺寸的縮小和集成規模的擴大，I/O 的間距將不斷減小、數量將不斷增多，目前，微電子焊接一般采用的基于錫基釬料的釬焊技術如波峰焊、再流焊等已難以適應生產需要，本課題正是尋求新的技術途徑而進行的研究。

圖7 激光微焊接的應用實驗

5 結語

微電子行業已成為福建重要的新興產業之一，微電子封裝是其生產中的一個極其重要的環節，對微焊接設備有大量需求，因此，基于錫膏的微滴噴射激光微焊接設備的開發有著廣泛的應用前景，不僅可以解決目前表面貼裝技術在生產中存在的缺陷，而且采用選擇性微錫焊，通過非接觸式微滴噴射方式，可以解決因含溫度敏感、低耐熱、塑料材質等電子元器件或內部有凹槽結構的PCB 板、IC 芯片等電路板而無法利用波峰焊或回流焊焊接的技術問題，也可以解決柔性電子、視覺模組等精密器件中因經常出現微結構、薄厚度元件在焊接時傷及精密部件的技術問題。