（机械工程专业论文）激光二极管激光焊封装研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 论文中运用n d ：y a g 激光对同轴激光二极管组件进行焊接封装。这种封装技 术最大的缺点是会使激光二极管的封装产生焊后偏移( p w s ) ，很少有一种机械 的方法可以校正这种焊后偏移到亚微米级别，目前激光锤被证明是一种很有效的 校正方法，激光锤校正作用过程就是利用金属熔化凝固冷却产生的内应力来恢复 焊后偏移的过程。 论文中建立了激光二极管封装的三维有限元模型，利用通用有限元软件 a n s y s ，编制a p d l 程序，模拟仿真激光锤在不同焊接参数( 电压、脉冲宽度等) 的作用过程的温度场、应力场以及焊后偏移校正量。焊接电压和脉宽越大，最高 温度越高，热应力影响区越大，同时焊后校正偏移量越大。焊后偏移主要是横向 ( y 向) 的影响，轴向( z 向) 变形较小。在同等焊接条件下，横向变形是轴向变 形的两倍。 在光斑尺寸相同的条件下，高电压小脉宽和低电压大脉宽可以使激光锤校正 偏移达到相同的效果，但是高电压小脉宽的焊接参数比低电压大脉宽的焊接参数 对材料的热应力影响区要小。所以在其他参数一定的条件下，高电压小脉宽的焊 接条件是激光焊接的首选参数。 利用激光焊设备对激光锤过程进行了实验研究，同时也验证了有跟元仿真的 正确性。得到最小焊后偏移量为o 1um ，角度偏移范围为o 0 0 0 5 0 0 5 0 。角度的 偏移也会影响到激光二极管的光通量效率，所以在利用激光锤校正激光二极管封 装焊后偏移的过程，要充分考虑横向角度的偏移。 当脉冲宽度超过2 5 m s 时，由于熔池发生了复杂的变化，有可能使激光锤校正 方向相反从而难以预测。 论文将对利用激光锤技术校正焊后偏移提出合理的参数选择，该研究对利用 激光锤技术校正焊后偏移有非常重要的意义。 主题词：封装激光焊焊后偏移( p w s )激光锤( l h )有限元角度 偏移 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h en d ：y a gl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yi sb e m g 、v i d e l yu s e di nt o c a ns t y l e p a c k a g ef o ri a s e rd i o d e h o w e v e r ，m ed i s a d v a l l t a g eo fl a s e rw e i d m gi s 血es o c a i i e d p o s t - w e l d - s h m ( p w s ) t h ee n dr e s m ti s ar e d u c t i o nml i g h tc o u p l i n ge f 1 c i e n c y t h e s b r i n l ：a g ef o r c eg e n e r a t e db y t h es o l i d i f i c a t i o n p r o c e s si ss o 伊e a tm a tn ok 1 1 0 w n m e c h a n i c a ls t m c t u r ec a nc o u n t e r a c tt h es 1 1 1 j n k a g e 丘o ms h i m n gt h ej o i r l t _ 一a tl e a s ta tt 1 1 e m i c m nl e v e l l a s e rh 锄e r i n g( l h )w a sd e v e l o p e dt om i n i m i z ep w s t h e l a s e r - h 绷e r i n gp r o c e s si st h et e c h i l i q u em a tu t i l i z e 廿1 es 0 1 i d i f i c a t i o ns h r i l l k a g e t o r e g 血t l l eo p t i c a lt l l r o u g h p u t1 0 s tb yp w s i i lt h i sp a p e r ，at 1 1 】肾e d i m e n s i o n a l 嘶c ke l 锄e n tm o d e l 州廿1t e m p e r a t u r e v a r i e d m a t e r i a lp r o p e n i e sw a sb u i l t a na 1 s y sp 脚e t r i cd e s i 印l a l l g i l a g e ( a p d l ) w a su s e d t os i m u l a c em et e m d e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t 1 1 ed i s 仃i b u t i o no ft 1 1 er e s i d u a ls t r e s s e s ，锄d p w si np r o c e s so fl a s e r h 蛐m e r i n g 谢mv 撕a n tv o h a g ea n dp u l s ew i d m t h c _ ( 1 e l d so f v o nm i s s e ss t r e s sd i s 订i b u 廿o na n dt e m p e r 咖r ef i e l dd i s t r i b u t i o ne x p a n d 谢山v o l t a g e a i l dp u l s e 、v i d t hi n c r e a s i r 培a tt h es 咖et i i i l e ，t h ec o n c 血l gv a l u a t i o no fl a s e r h 瑚e r i n gi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n t0 fp u l s ea i l dv o l t a g e t h ey d i r e c t i o ni sm e m a j o rs h i f t a tt h es 锄ew e l d i n gc o n d i t i o n ，t h es h mo fyd i r e c t i o ni sa b o u tt w ot i m e s 也a nt l l a to f zd i r e c t i o n i fm e 、v c l ds p o ts i z ei s 也es 锄e ，m ew e l d i i l g p a r 锄e t e rb o t hh i 曲v o n a g e ，s h o r t p u i s ew i d t ha n dl o wv o 工t a g e ，i o n gp u i s ew i d t hc 趾g e tt h es 枷ep w so 儿h b u tt h e r a l l g eo fi i l f l u e n c eo ft l l e 肌a ls t r e s sb yl o n gp u l s ei s1 a r g e rm a l lb y1 1 i 曲v 0 1 t a g e h 础 v o 】t a g e ，s h o r tp u l s ei s 山ep r e f b r r e dw e ld i 】唱- p a r a m e t e ri n 血ep r o c e s so fw e l d i n g p a c k a 百n g t h ee x p e r i m e n t a lm e a s l l r e m e n t so fl hw e r ei nr e a s o n a b l ea 日e e m e mw i mm e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n so f 吐【cf i n i t e e i e m e mm e t h o d ( f e m ) 锄1 y s i s t h em i np w so f l hi nyd i r e c t i o ni so 1um ，a t l d 吐1 cr 锄g eo fa i l 9 1 es h i f ti sf r o mo 0 0 0 5 d e 日e et oo 0 0 5 d e g r e e a n g l es h j 盘c a t lr e d u c emj i 曲tc o u p l i l l ge m c i e n c y n e r e f o r e ，t l ea n g l es h m i s a ni m p 积吼tf a c t o rf o rl i g h tc o u p l 堍e m c i e n c yw h e np w si sc o 玳c t e d b yl hf o “a s e r d i o d ep a c k a g i n g w h e np u l s ew i d t hi s1 0 n ge n o u 曲t oa b o v e2 5 m s ，t l l ec o r r e c t e d d i r e c t i o no fl a s e rh 舳e r m gi 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图4 _ 3 激光焊接系统 图4 4 激光焊激光束装置 图4 5 三光束激光焊接机 图4 6 实验系统设置 图4 7a d 数据采集实现过程 图4 8 激光锤校正焊后变形偏移的采集与处理程序界面 图4 9 激光锤校正焊后角度偏移的采集与处理程序界面 图4 1 0 激光束和传感器放置 图4 1 1 激光锤作用的横向( y 向) 焊后偏移曲线图 图4 1 2 激光束和传感器放置 图4 1 3 焊后角度偏移示意图 图4 1 4 激光锤作用后的角度偏移曲线 图4 ，1 5 焊后偏移绕轴旋转示意图 图4 1 6 激光锤作用后a 点到b 点距离变化曲线 第1 v 页 4加丝殂抖抖凹”弘弭弭弱弘强加叭叭乾们郇钙钾锅 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：邀左三拯笪邀出埕封苤盈嚣 学位论文作者签名：每毒鸢耻日期：泐年月罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 邀出三拯篁邀左埕封装盟窥 学位论文作者签名：堡纽日期：埘年f 驴日 作者指导教师签名：孟 塑茎卜一日期：口一心年f f 月夕日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着光通信技术突飞猛进的发展，光电子器件的作用和地位越来越突出。在 光电子器件的产业化过程中，封装占有整个器件( 模块) 7 0 以上的成本【i 】。同 时光电子器件封装技术的发展也依赖于光电子技术的进步和组合光器件的发展。 单模光学元器件的封装涉及半导体芯片、光纤发射光束校准以及其它组件的 排列封装。目前，对于光学器件的校准已有了很多技术。然而，很少有一种封装 技术能够使得封装后的光电器件在精度、稳定性和耦合效率等方面同时达到最佳。 例如，单模光纤激光二极管和附接光纤( 俗称“尾纤”) 的对接误差要求为亚微 米级，这一现象尤为突出吲。 目前，光电器件封装技术主要有激光熔焊、钎焊、环氧树脂粘接以及机械固 定等。其中，激光熔焊具有焊缝窄( 深宽比大) 、焊速快、工件变形和热影响区 小、可以焊接不同材料等优点。特别是激光焊接具有能够精确定位，激光束易实 现光束按时间与空间分光进行多光束和多工位同时加工以及可进行非接触远距离 焊接难以接近的器件部位等特点使得激光焊接被越来越证明是一种非常有效的光 电器件封装技术【3 j 。尤其是近几年来，在y a g 激光加工技术中采用了光纤传输技 术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用【4 】。 本课题来源于中南大学和我校联合承担的国家自然科学基金重点项目“光纤 器件的亚微米制造理论与关键技术”( 5 0 2 3 5 0 4 0 ) 。在大多数光电信息传输的应 用中，激光二极管通常附接一根光纤以实现远距离光信号传输，因此，附接光纤 技术成为了其中的一项非常关键的技术以保证光信号传输的质量。本课题将采用 t o c a n 类型封装，运用激光焊接技术针对激光二极管封装开展研究工作。 1 2 课题的研究发展现状 近年来，随着激光器开发技术的进步，激光焊接作为一种新兴的高能密度焊 接工艺正逐渐被人们所认识。激光焊接设备在7 0 年代主要用于焊接薄壁材料和低 速焊接。随着光通信时代的到来，激光焊接作为一种新兴的高能密度焊接工艺在 光电子行业已成为主要的封装方法。日本、美国、英国、德国等发达国家，激光 焊接技术发展很快。在国际上研究和应用激光焊接技术进行光电产品封装的知名 公司和研究机构有：美国n e w p o r t 、a d e p t 公司、a t & t b e l l 实验室，日本骏和精 机、t o s l l i b a 公司和德国戴姆勒一奔驰公司等。n e 、卵o r t 公司率先提出利用三路激 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 光点焊技术封装t o c a n 类型的激光二极管，用激光锤处理使焊后偏移限制在 o 2 u m 之内【“。戴姆勒一奔驰公司研制出填丝激光焊接的热传导模型1 6 j ，其目的是 预测不同工艺参数和不同被焊材料焊缝截面的位置、形状和尺寸。台湾学者w h c h e n g 等人长期从事光电子器件封装理论研究，文献【7 【8 1 【9 1 【1o 采用有限元方法对激 光焊接封装工艺进行了研究，主要分析焊接过程中各种因素对焊后偏移的影响。 韩国学者d h k a l l g 等人也用有限元方法对光纤器件激光焊接过程中的热变形进 行分析1 1 l 【1 2 j ，但是他们均未给出消除焊后偏移的有效办法。 在国内，一些科研单位也在从事激光焊接工艺的研究工作，取得了一定的理 论和实际成果。如天津大学研制的数控y a g 激光焊接机获“国家重点新产品”证 书，配有自动机电机构，在微机控制下能够实现焊接过程自动化；北京航空工艺 研究所研究从根本上消除等离子体影响或利用激光等离子体提高焊接质量的方 法；其它单位还包括：华中科技大学、天津市焊接研究所、哈尔滨工业大学焊接 国家重点实验室、国家产学研激光技术中心、北京工业大学激光工程研究院等等。 由于受激光器技术的限制，国内在激光焊接工艺的研究领域起步较晚，整体 水平不高，同先进国家相比具有一定差距；并且国内学者主要研究中大型结构件 的缝焊，而对小尺寸光电产品的焊接研究很少，即使有一些学者研究也仅仅局限 于在理论上进行分析，而且主要是集中在焊接温度场和焊接熔池等方面的研究， 而对焊后偏移以及结构变形对于光信息传输质量的影响涉及很少。 国外n e 、邛o r t 、a d e p t 等公司用于光纤器件封装的激光焊接机已经产品化，对 焊后偏移的问题，采用激光锤方法进行修正，但都属于一种工程上的试探性方法。 对焊接微变形缺少系统的规律性认识和理论基础，没有建立统一的微变形预测模 型和补偿控制理论。国内华工激光、楚天激光等也有类似产品，但激光器、光纤 等核心部件仍依赖进口，焊接过程的数学建模、微变形和质量控制理论还是空白， 华中科技大学针对半导体光放大器中激光焊接温度场和构件热弹性变形进行了研 究【4 】【”】，但没有涉及到微变形补偿控制理论。总之，激光焊接作为光纤器件封装制 造的重要加工方法，已经在光器件行业得到广泛应用。但是对于焊接微变形，尤 其是微变形的补偿控制理论的研究仍是亟待解决的课题。国外目前的研究成果集 中于通过仿真分析预测焊后偏移，分析焊后偏移的影响因素，并提出激光束能量 控制方法来尽量减少焊后偏移，对焊接微变形的机理研究还有待深入，而对微变 形定向分析和补偿控制还缺少系统的理论。国内在这方面的研究工作更是相当有 限。 激光二极管属于微小器件，光纤与激光二极管模场上的微小失配，都将使耦 合损耗非常大，使得器件性能恶化。因此，对于激光二极管的激光焊接封装工艺 来说，尽量减少因焊接构件变形而造成的尾纤位置偏移是一项关键技术，同时也 第2 页 国防科学技术太学研究生院学位论文 严重制约了封装的产业化【l 。激光二极管的激光焊接过程产生尾纤位移的因素涉 及多方面，如：焊点的几何位置、激光参数、材料成分、多点焊接时光束间能量 是否平衡、焊接应力与温度场分布等等。除此之外，由于焊接构件和焊点尺寸都 很小( 焊点直径为零点几毫米) ，也对激光焊接提出了很高的要求。目前，国内 在这方面所做的研究工作还相当有限。 有关激光焊接的焊接应力和变形研究的前提是焊接过程中温度场的分析。这 是由于焊接过程中局部集中的热输入，使焊件形成非常不均匀、不稳定温度场。 温度场不仅直接通过热应变，而且还间接通过显微组织变化引起相变应变决定焊 接残余应力，因此，有关这方面的计算和分析工作具有重要的现实意义f 1 4 1 。以往， 对焊接温度场、应力和变形的分析通常采用两种方法进行研究，一种是实验方法， 通过对焊接过程进行实验测量并采集数据，进行定量的分析。由于受实验各方面 的限制，所得数据的准确度并不高而影响了研究效果。另一种方法是解析方法， 通过解某些特定的微分方程组来进行定量计算。然而，这种方法只有在十分简单 的情况下并且作许多简化的假设，才有可能求得这些方程闭合的解析解。而实际 的焊接问题多种多样，边界条件十分复杂，用解析方法来求解这类微分方程十分 困难。目前，随着计算机技术和软件技术的发展，数值模拟方法已逐步成为主流 12 1 。 数值模拟的方法较多，如：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法等。特 别是有限元法，己广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析的研究。 当前，在有限元领域被广泛应用的软件有m a r c ，a n s y s ，m s c 肘a s t r a l l ，a b a q u s 等 【1 4 】 1 5 】| 1 6 1 。 有限元法在焊接过程的应用主要有焊接过程建模、焊接工艺设计。焊接过程 温度场数值模拟的基本方法是通过求解热传导方程来求得熔池边界，估算焊接材 料的熔合区的基本形状，通过热循环参数计算接头尺寸及其转变。所使用的求解 方程大都以前苏联的雷卡林焊接热过程计算方法为基础，并做一定的修正而建立 模型。激光焊过程的计算模型应包括以下内容： ( 1 ) 热量输入与散失：主要影响因素有焊接规范、对流、辐射的散热条件； ( 2 ) 熔池作用：即考虑熔池对热过程的影响，现有研究结果表明，熔池将影 响熟输入的分布和热量向周围的传导； ( 3 ) 材料的热物理及力学性能：应视各性能指标为温度的函数，同时考虑相 变影响及高温下力学行为有别于常温的特点。 总之，整个焊接过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过程，要想精确的了解 整个焊接过程中应力应变和位移的发生、发展的动态行为是十分困难，因此必须 建立一套简化的计算模型。 目前在激光焊接中比较常用的热源模型是高斯模型。高斯模型的热源比点状 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 热源更接近实际模型，而且比椭球状的热源模型简单而易于用有限元仿真。图1 1 为理论研究的坐标图 ”1 。 墩光m 图1 1 坐标定义图 假设激光有效功率为p ，聚焦光斑半径为，o ，t = o 时刻为坐标原点，则光斑上 的功率分布如式1 1 所示。 g ( w ) ：芒e x p 一坐盟) ( 1 _ 1 ) g 【x ，y ) = r e x p 一l f l 0 ( 1 一lj 厅r 0，0 在一定的边界条件下，熔池稳态温度场分布的解析表达式如式i 2 所示。 t ( x ，y ) = l + 篆e x p ( 尝) k 0 【罢】 ( 1 - 2 ) 式中，t ( x ，y ) 为熔池二维稳态温度分布，t 。为环境温度，p l 为激光功率，d 为 材料厚度，k 为材料的热导率，v 为激光扫描速度，k 为材料的热扩散系数，k o ( ) 为第二类零阶贝塞尔函数。 课题研究中将采用a n s y s 有限元软件进行仿真研究。虽然有限元已经被广泛 的应用于焊接结构的分析计算中，但是用有限元进行焊接结构分析时仍存在一些 难点： ( 1 ) 焊接热源高度集中，温度场分布极不均匀，在焊缝附近应采用足够细密的 网格划分以达到必要的精度，结果造成自由度数目庞大，解题规范大。 ( 2 ) 焊接温度场、应力应变场是随时间变化的动态场，在有限元计算中需要将 连续变化的焊接过程离散为若干个时间增量步。但由于在焊缝附近温度场、应力 应变场随焊接过程发生急剧的变化，在计算中不得不用很多时间增量步表示这种 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 快速变化，造成计算量非常大。 ( 3 ) 焊接过程中材料力学性能随温度成高度非线性变化，尤其在熔池附近，材 料的屈服强度、弹性模量等力学指标降低为很小值，影响了有限元的求解效率。 ( 4 ) 焊接热源模型的模拟误差，即使采用比较接近实际的热源模型高斯分布模 型，但还是和实际有一定的误差，而且在有限元分析中载荷的加载也会产生一定 的误差。 ( 5 ) 在高温下材料的性能参数无法获得，必须采用假设的方法，这也造成了求 解结果的不确定性 1 1 1 1 8 】 1 9 1 【2 0 】【2 ”。 除此之外，具体的焊接工艺，如：焊接方法、相变潜热影响、边界条件假设 等细节在特定情况下都会对焊接残余应力和焊后变形产生很大的影响，因而需要 仔细分析。如果分析建模时对这些细节进行描述，则会大大增加计算量和计算时 间。 如上所述，实际激光焊接封装的有限元分析的主要问题是计算量与计算时间。 尤其在优化参数方面，需要对不同参数下的模型进行计算，计算量会成倍的增加。 而单纯的靠物理实验来优化焊接工艺参数又要耗费大量的物力、财力和人力。因 此，本课题采用有限元软件a m s y s 对激光二极管的多种材料封装组件的焊接温度 场、应力场和变形进行了计算机的二维、三维实时动态数值模拟，得到焊接过程 温度场分布、焊接应力和变形的具体数值计算。在此基础上进行了实验验证和比 较，找出了激光二接管优化封装方法，以尽可能减小由于激光二极管的封装引起 的光耦合效率损失。这些研究无论是对焊接设计还是工艺研究都具有重要的意义。 1 3 本课题的主要研究内容 激光焊接是激光二极管封装制造的重要加工方法，焊接过程的质量控制尤其 是焊后偏移等科学问题仍是制约激光二极管批量化生产的重要因素。本课题以激 光二极管封装制造中激光焊接微变形与定向热补偿理论与技术为研究核心，选择 焊接过程的数学建模、质量控制和焊后偏移校正为切入点，研究激光二极管激光 焊接温度场分布及焊后偏移控制行为规律：分析激光二极管激光焊性能参数的控 制规律，寻找激光锤校正作用的最佳参数，为激光二极管的激光焊接亚微米封装 制造设备的改进和升级换代提供理论和实践依据。课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 建立激光二极管的激光焊接三维模型，利用a i l s y s 仿真，研究激光二极 管焊后温度场分布、应力分布以及焊后微位移变形，从理论上寻找激光焊接规律 和焊后偏移校正方法。 ( 2 ) 以同轴型激光二极管封装组件为研究对象，用有限元分析方法进行仿真 分析，建立微变形物理过程数学模型，实验研究焊接微变形动态行为，分析焊接 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 材料、激光束能量和脉冲宽度等焊接参数与焊接微变形关系，预测各种焊接条件 下的焊后偏移量。 ( 3 ) 基于有限元建模技术和试验测试，研究焊后变形规律，建立焊接参数一 构件微变形一激光二极管对准误差或耦合效率之间对应关系，对焊接微变形进行预 测和对焊接工艺参数进行优化。 ( 4 ) 对焊后构件微变形物理过程进行理论与实验分析，对提出的“激光锤” 定向热补偿控制的理论体系进行探讨。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章脉冲激光焊技术与课题研究方案确定 激光加工的热过程大致可分为：加热、熔化、汽化和凝固四个阶段，四个过 程可由激光功率和照射时间决定。在功率密度较低、照射时间较长时，对材料只 是无损伤照射；若保持能量不变丽相对减少照射时间，增加脉冲功率，能量的输 入速度与材料的热时间常数相匹配，则熔化深度加大，此时激光参数可用于激光 熔化焊接；进一步提高功率密度，缩短照射时间，使材料在表面上直接汽化，材 料将被破坏并去除，同时由于汽化后材料对激光吸收的迅速增加，材料表面内凹 下陷产生小孔，这时的作用过程转移至材料内部进行，汽化成为主要的过程；在 激光停止照射后，材料温度下降，由液态变为固态，作用区蒸发气体重新冷凝聚 集在材料表面。由此可见在脉冲激光作用过程中，在光束模式一定的情况下，熔 区主要受脉冲功率、光斑大小、作用时间( 即脉冲宽度) 等物理因素控制。 对同轴激光二极管组件的封装激光焊接形式主要是点焊，即脉冲激光焊。 2 1 脉冲激光焊技术 脉冲激光焊接时，输入到工件上的能量呈脉冲分布，每个激光脉冲在焊接过 程中形成一个圆形焊点。 2 1 1 脉冲激光焊分类 按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊( 功 率密度小于1 0 5 w c m 2 ) 和深熔焊两种。 1 ) 传热焊 当采用的激光光斑功率密度小于1 0 5 w c i n 2 时，激光将金属表面加热到熔点与 沸点之间。焊接时，金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能，使金属表面温 度升高而熔化，然后通过热传导方式把热能传向金属内部，使熔区逐渐扩大，凝 固后形成焊点或焊缝，其熔深轮廓近似为半球形，这种焊接方式称为传热焊。 传热焊时，工件表面温度不超过材料的沸点，工件吸收的光能转变为热能后通 过热传导将工件熔化，熔池形状近似为半球形。传热焊的特点是激光光斑的功率 密度小。其中很大一部分光被金属表面所反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅， 焊接速度慢。主要用于薄( 厚度 1 m m ) 、小工件的焊接加工。 2 ) 深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时( 1 0 6 w c m 2 ) ，金属表面在激光束的照 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内( 1 0 一1 0 4 s ) 升高到沸点，使金属 熔化和汽化。产生的金属蒸汽以一定的速度离开熔池，逸出的蒸汽对熔化的液态 金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹 坑。 当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸汽一方面压迫坑底的液态金 属使小坑进一步加深。另一方面，向坑外飞出的蒸汽将熔化的金属挤向熔池四周， 此过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生 的金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深， 形成一个深度稳定的孔而进行焊接。 深熔焊的激光束可深入到焊件内部，因而形成深宽比较大的焊缝。如果激光 功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接收到 部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。 2 1 2 脉冲激光焊特点 脉冲激光焊是以高能量密度的激光束作为热源，对金属进行熔化形成焊接接 头的熔焊方法。采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法，而且焊接质量也 得到了显著提高。与一般焊接方法相比，激光焊具有以下特点： 1 ) 聚焦后的激光束具有很高的功率密度( 1 0 5 1 07 w c n l 2 或更高) ，加热速度 快，可实现深熔焊和高速焊。由于激光加热范围小( o ，称为正离焦量；如果f 9 9 7 ) 和部分反射镜( t = 7 0 ) 组成。工作物质在光泵浦下产生的受激辐射光， 通过反馈在两个镜片间形成放大与振荡，并由部分反射镜输出。 ( 5 ) 冷却与滤光系统是固体激光器中必不可少的辅助装置，在固体激光器中， 输入脉冲灯中的能量只有很小一部分转化为激光能量，其余均转化为热的形式损 耗掉了，冷却与滤光系统的作用就是带走激光器中的多余热量，防止内部元件温 升过高，同时还可以减小泵浦灯中强烈的紫外辐射对工作物质的有害影响。 4 2 1 2 激光电源系统 脉冲激光电源是专用于向脉冲氙灯供电的特殊电源系统。一般由充电电路、 储能单元、放电电路、触发预燃电路、逻辑控制电路和电气操作电路等部分组成。 ( 1 ) 充电电路，其作用是为储能单元中的大容量电容提供充电电源。根据储 能电容的特点，恒流充电是最佳的充电方式。系统电源采用的是一种叫做l c 恒 流源的恒流充电电路。这种电路具有结构简单，控制方便，可靠性高以及恒流特 性好等优点。 ( 2 ) 储能单元由2 0 只电解电容通过串、并联组成，总容量为4 0 0 0 0 u f 左右。 在2 0 m s 脉宽情况下，单脉冲输出能量超过3 5 0 0 焦耳。 ( 3 ) 放电电路将储能单元中的电能可控地施放到脉冲氙灯上。本机采用的是 先进的大功率i g b t 放电电路。 ( 4 ) 触发预燃电路，其作用是使脉冲氙灯中的惰性气体在1 6 2 万伏的高电 压下产生电离，两电极问建立起放电通道；预燃电路则是在导通后的两电极间保 第3 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 持1 5 0 2 5 0 m a 辉光放电电流，使触发后的放电通道能够稳定地维持下去，从而使 储能电容中的电能能够有很好重复性地通过灯管放电，并且可以大大延长脉冲氤 灯的寿命。本机采用的是零电压混合谐振开关预燃电源。 ( 5 ) 逻辑控制电路，本机的全部电子逻辑控制电路由一块8 9 c 2 0 5 1 单片机完 成。将所有的控制功能都集中到一个芯片上，不仅使电路得以大大简化，也使电 路的可靠性得到很大的提高，并且通过这种控制电路，使整机的工作参数可以按 照用户的要求很方便地进行调整。 4 2 1 3 分光及光纤传输系统 如图所示，设备采用介质膜片分光，能量均分方式对从激光腔内产生的一束 激光分成三束；激光束经过聚焦透镜聚焦后最小光斑尺寸可达o 3 m m 。支撑聚焦 透镜和摄像头的是五维调整平台，可实现激光束在五个方向调整距离，最后调整 到所要的光斑尺寸和在工件上的位置。 4 2 1 4 监视系统 设备配有3 个m c c - 2 0 2 1 ( a 曲i l i x 奥尼克斯) c c d 摄像头，3 个f 2 6 ( 焦距 2 6 ，通用型) 型的摄像头镜头，1 台1 4 寸彩色监视器，1 台m v c 4 0 0 l ( a i r o n i x 奥尼克斯) 彩色视频分割器。这一套监视系统可以初步的观测工件的对齐状况和 激光光束在工件上的位置。 4 2 1 s 激光专用冷却系统 专利设计，双循环冷却、精确控温系统。采用全钛合金材料的盘管结构，蒸 发器、水箱、泵体等均使用高强度的非金属材料或者不锈钢，以确保水质，进口 低噪射流自吸式离心泵使纯净水内循环冷却激光器。制冷压缩机对循环水进行二 次循环冷却。 4 2 1 6 激光焊接系统的技术参数及性能 1 ) 激光器脉冲固体激光器 激光工作物质：n 一+ ：y a g 激光波长：1 0 6 4 u m 输出平均功率：l o o w 激光脉冲宽度：o 1 2 0 m s 连续可调 脉冲重复频率：o 2 0 h z 连续可调 最大单脉冲能量： 7 0 j 能量稳定度： 3 第3 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 ) 光学系统性能参数 光学分光方式：介质膜片分光 分光均匀性： o 5 j 传输光纤芯径： o 6 l i l l 光纤长度： 2 ，5 5 m 输出聚焦镜焦距：f = 8 0 m m 聚焦镜工作距：1 0 0 m m 最小光斑直径： 2 v 。 2 ) a d 转换电路部分 a d 分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) ； 非线性误差：1 l s b ( 最大) ； 转换时间：l o u s ； 系统测量精度：0 1 。 4 2 2 3 数据采集处理方法 数据采集与处理流程如图47 所示。论文中通过编制c + + b u i l d e r 数据采集与 处理程序，调用数据采集卡自带函数，可以实现激光二极管焊后偏移校正的数据 实时采集和处理，同时可通过曲线的实时显示观测焊后偏移量。激光锤校正焊后 变形偏移的采集与处理程序界面如图4 8 所示，激光锤校正焊后角度偏移的采集与 处理程序界面如图4 9 所示。 为了获得更好的信噪比的数据，尽量减少噪声对采集数据的影响，在程序的 数据处理中运用了“平均数据”手段，对6 4 个数据进行平均作为一个点，取采样 频率为1 0 0 k 。 第3 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图47a d 数据采集实现过程 l l l i i i i i l i i i l l i l l l i i i 第4 0 页 f i l|l i i i!_-|-_ 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 - 8 激光锤校正焊后变形偏移的采集与处理程序界面 图4 9 激光锤校正焊后角度偏移的采集与处理程序界面 第4 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 3 实验结果分析 431 激光锤校正焊后变形偏移的测试 为了研究激光锤在激光二极管焊后偏移校正中的作用，首先利用激光焊设备 的三束激光间隔1 2 0 度把实验组件l 和实验组件2 焊接在一起，然后堵住两束激 光用剩下的一束激光，通过改变激光的电压和脉冲时间等参数进行激光锤实验。 激光锤校正焊后变形偏移测试实验中两个电容传感器如图4 1 0 所示布置。两 个电容传感器在水平面成9 0 度、在激光束的对面放置，用来测试激光束方向的偏 移量。 实验结果如图4 1 1 所示。 h ： i 。2f 。1 _ + 一+ t + + ： li ：! i 1 i r l 。：1 监；i ；i 一一 1。 ：一 * r 1 仨鬻。0 l ： ： b m 1 日 ( a ) 电压：4 0 0 v ，脉宽：o ，5 m s 图4 1 0 激光束和传感器放置 第4 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一ll 碍删峰l _ “ ：j 十； h r i r i i l m 啪 ( c ) 电压：4 1 0 v ，脉宽：o 5 m s 七 ：，；，j o ： r 臻：黼蒜蒿萄 r 一十 l 3 ： l 尽蒌三 ( d ) 电压：4 1 0 v ，脉宽：l m s ：； 游 l 1 ”_ ( e ) 电压：4 5 0 v ，脉宽：0 5 m s( o 电压：4 1 0 v ，脉宽：2 5 m s 焊后偏移方向相反 图4 1 1 激光锤作用的横向( y 向) 焊后偏移曲线图 在图中，三条曲线分别代表传感器l 、传感器2 和测试点处的焊后变形曲线。 p w s ( 焊后偏移) 信号增大意味着激光二极管实验组件l 远离传感器( 靠近激光 头) ，p w s 信号减小意味着激光二极管实验组件1 靠近传感器( 远离激光头) 。 从实验结果可知，激光锤的校正量随着电压和脉冲宽度的增加在增大，校正 方向主要为靠近激光头。最小校正量可达o 0 9hm ( 图4 1 1 a ) ，最大校正量可达 o 3 lum ( 图4 1 l e ) ，当然，当激光焊接参数适当的取得更小或者更大，激光锤 焊后偏移校正量可以达到更小或更大，在实际的焊后偏移校正中，0 1 “m o 3 “m 的范围足够了。 当脉冲宽度过大超过某一个范围( 约为2 5 m s ) 时，如图4 1 1 f 所示，由于对 焊点熔池形状的严重破坏，会使激光锤的校正方向相反( 激光二极管实验组件1 远离激光头方向) ，这是因为熔池形状遭到严重破坏、发生了复杂的变化，目前 第4 3 页 言；=，； 野 i 国防科学技术大学研究生院学位论文 对这方面的研究很少，只能在实验中解释。 另外，当激光锤多次重复作用于同点时( 一般不超过3 次) ，由于激光焊 点处会有应力释放，也会使激光锤的校正方向相反，故在同一点的激光锤作用次 数最好不要超过3 次。 当激光焊接参数( 电压和脉冲) 都比较大时，有可能使激光锤的校正方向产 生不可预知的变化，所以在利用激光锤技术作为激光二极管焊后偏移校正时，电 压应该限制在3 5 0 v 4 5 0 v 之间，脉冲时间限制在2 m s 以下为宜。 激光锤校正焊后变形偏移试验与有限元仿真比较结果如表4 1 所示。 表4 1 激光锤校正焊后偏移试验与有限元仿真结果比较 实验结果仿真结果相对误差 实验组数 ( p m )( u m )( ) 电压( v ) 4 0 0 100 900 7 4 1 41 76 脉宽( m s )0 5 电压( v ) 4 0 0 2o 2 802 8 4 8一l7 脉宽( m s ) l 电压( v ) 4 1 0 3o 2 202 4 9 7- 1 35 脉宽( n l s ) 05 电压( v ) 4 1 0 40 303 0 2 5 08 3 脉宽( m s ) l 电压( v ) 4 5 0 50 3 lo 2 8 0 6 9 4 8 脉宽( m s ) 05 从上表比较结果可知，有限元仿真与实验结果误差在2 0 以内，进一步验证 了有限元仿真的正确性。 4 3 2 激光锤校正焊后角度偏移的测试 激光锤校正焊后角度偏移测试实验中两个电容传感器如图4 1 2 所示放置，两 个电容传感器在同一垂直面、在激光束的对面放置，用来测试激光束方向的角度 偏移量。焊后角度偏移示意图如图4 1 3 所示，焊后角度偏移量曰计算公式如式 4 一l 所示： 占= 口2 一目1( 4 1 ) 其中 式中x 1 ： x 2 ： 血1 1 ： 口1 ：a t 趾f 垒! 二垒兰、。坐 上 万 口2 圭a t a n f 竺! ! 二垒马。坐 上 。 刀 焊前传感器1 的测头距工件l 的初始距离 焊前传感器2 的测头距工件l 的初始距离 焊后传感器1 的测头距工件1 的距离 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 第4 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 血2 l ：焊后传感器2 的测头距工件1 的距离 三：传感器1 的测头与传感器2 的测头的距离 在激光焊接试验中，缸l 、血2 、工是定值，缸1 1 、血2 1 是随着焊接时间变化 的值。 传感器2 图4 1 2 激光束和传感器放置 夕 组件l 的 焊后位置 图4 组件1 的 卜 坚瑚传癌 x 1l 钡j 。 卜刊 i 罗工，