（材料加工工程专业论文）手机锂电池铝外壳激光封装焊接工艺及激光器电源的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文对话及其会金静激光葑装焊接工艺特煮进行了大量鹣分橱磺究，最嚣成功豹 裁定7 一蹩套瀵是多极淫邀邀镪壳激毙封装焊接工艺。同时，为了满足拳机锼电池激 光封装焊接对y a g 激光电源的箍要，在研究现有y a g 激光电源的基础上，成功地设 计和调试了一种新型的、究全适合手机锂电池铝壳封装焊接需要的y a g 脉冲激光电 源。 ， f 狠据锯及荬舍垒砖激必滚长缴浚攀靛美系，选耀y a g 躲捧激毙焊接方式。兔了 提楚秘拳喜表露慰激必约吸收率，采用套种不同的袭蘑娥理方法。为了抑制结摄裂纹， 在严格清理工件表面，选择合理的激光规范参数后，焊缝的气孔将会大大减少或消失。 同时，考虑到激光焊接参数：激光能精、脉冲波形、焊接速度和接受频率对熔深、焊 缝最微缀织、弹接重叠率等质蠢因素裔显著 锌，会理璃整激光烬续参数是至关重嫠熬。 须穰据不同静焊接簧求及现有条 本电源采用波形霾加技术，成功的解决了手机锂电池激光封装焊接对激光波形的 要求，即农氤灯的充放电网路采用三级r c 充放电方式，同时并联相同的一个兰级r c 电路，选择不同的电路参数实现波形疆加。主电路采用半桥谐振型开关电源，引燃点 火部分采稽宰联高嚣包弓 疆，r c 次黼压缀持，低压燕流接绥奄弧电流豹三缀续漉方 式，黎会点火簸测髫鼹，交瑗龟溺点火，馒一次点火成功率凑达9 9 以上。为了麓决 电流的稳定性问题，电路的各部分采腭独立的控制方式。 本电源不仪对该电源的设计和调试作了仔细的分析，还首次采用自动控制理论分 析了各种波动因素下激光电源的稳定性。 关键谰：铝及菪会金y a g 蹙梦激光激光鬯挚焊接半琶梦振波，孥搬 锟” 锪长嫁。 一一” ，一一”“ 笋 黼厂 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i s a n a l y s e d a n dr e s e a r c h e d l a r g e l y t h el a s e r s e a l - w e l d i n g t e c h n i c s c h a r a c t e r i s t i c st oa l u m i n u ma n di t sa l l o y , f i n a l l ye s t a b l i s h e ds u c c e s s f u l l yas u i to fs a t i s f y l a s e rs e a l - w e l d i n gt e c h n i c sa b o u tt h ea l u m i n u mh u l lo ft h em o b i l et e l e p h o n el i t h i u m b a t t e r y - a tt h es a r n et i m e , f o rs a t i s f y i n g l a s e rs e a t - w e l d i n gt e c h n i c sa b o u tt h ea l u m i n u mh u l l t od e m a n dy a gl a s e rp o w e r s u p p l y ，o nt h er e s e a r c hf o u n d a t i o no f t h ec u r r e n ty a gl a s e r p o w e rs u p p l y ，s u c c e s s f u l l yd e s i g na n dd e b u g 鑫n e wy a g l a s e rp o w e rs u p p l yi nk e e p i n g w i t ht h ey a g p u l s el a s e rs e a l w e l d i n ga b o u t t h ea l u m i n u mh u l lo ft h em o b i l et e l e p h o n e i i t h i u mb a t t e r y a c c o r d i n g t ot h er e l a t i o no f t h el a s e rw a v e * l e n g t ha b s o r p t i v i t ya n dt h ea l u m i n u ma n d i t sa l l o y c h o o s et ou s et h ey a g p u l s el a s e rw e l d i n gw a y f o r t h es a k eo ft h ee x a l t a t i o no f t h em a t e r i a ls u r f a c e a b s o r p t i v i t y t ol a s e r ，a d o p tv a r i o u sd i f f e r e n ts u r f a c e h a n d l i n g m e t h o d 。t or e s t r a i nt h ec r y s t a l l i n ec r a c k ，a ts t r i c t l yt i d yu pt h ew o r k p i e c es u r f a c e ，c h o o s e t h er e a s o n a b l el a s e rw e l d i n gp a r a m e t e r , t h ep o r ei nt h ew e l d i n gl i n ew i l lc o n s u m e d l y r e d u c eo r d i s a p p e a r ， a tt h es a n l e t i m e ，i nc o n s i d e r a t i o no ft h eg r e a ti n f l u e n c eo ft h el a s e rw e l d i n g p a r a m e t e r s ：l a s e re n e r g y 、p u l s ew a v e - f o r m 、w e l d i n gs p e e da n dr e c e i v i n gr e q u e n c yt o m e l t i n gd e p t h 、s e w i n gm i c r o s t r u c t u r e 、w e l d i n go v e r l a pr a t ee c t i ti si m p o r t a n c et h a t r e a s o n a b l ea d j u s t m e n tt ot h el a s e rw e l d i n gp a r a m e t e ra c c r o d i n gt ot h ed i f f e r e u tw e l d i n g r e q u i r ea n d c u r r e n tt e r m t h ey a gl a s e r p o w e rs u p p l ya d o p t e dt h eo v e r l a pt e c h n i q u eo ft h ep u l s e ，a n d s u c c e s s f u l l ys o l v e dt h er e q u e s to ft h el a s e rs e a l w e l d i n go ft h em o b i l et e l e p h o n el i t h i u m b a t t e r y t ol a s e r w a v e f o r m ，n a m e l ya d o p t t h r e er c c h a r g ea n dd i s c h a r g ec i r c u i t st ox e l a m p ， a tt h es a m et i m ec h o o s ed i f f e r e n te l e c t r i c c i r c u i t p a r a m e t e rt o r e a l i z ea o v e r l a p p e d w a v e - f o r m t h em a i ne l e c t r i cc i r c u i ta d o p t e dt h eh a l fb r i d g es y n t o n i ca n dt h es w i t c h p o w e rs u p p l y ，t h ei g n i t i o nc i r c u i tp a r ta d o p tt a n d e mh i g hv o l t a g et oi g n i t e 也ex e 1 a m p 。 n 华中科技大学硕士学位论文 h i g hv o l t a g et om a i n t a i n ，l o w - v o l t a g e a n dc o n s t a n t c u r r e n tt oh o l do u tc o n t i n u o u s l yt h e e l e c t r i ca r cc u r r e m ，m a t c hu p t ot h ef i r em o n i t o rc i r c u i t ，a n dr e a l i z ea u t o m a t i ci g n i t i o n ，t h i s m a k e st h ei g n i t i o ns u c c e s s f u l lr a t ea tat i m ea m o u n tt o9 9 a b o v e t os o l v et h es t a b i l i t y p r o b l e m , w e a d o p t t h e m e t h o d o f e a c h p a r t o f c o n t r o l o f i n d e p e n d e n c e e l e c t r i c c i r c u i t t h i st h e s i sn o to n l ym a k e dc a r e f l l la n a l y s i st od e s i g na n dd e b u g t h ep o w e r s u p p l y ，a n d a d o p t e dt h e a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r i e st oa n a l y z et h ee v e r yk i n do fm o t i o nf a c t o rt o i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo f t h el a s e rp o w e rs u p p l yf o rt h ev e r yf i r s tt i m e k e y w o r d s ：a l u m i n u m a n di t sa i l o y h a l f b f i d g es y n t o n i c y a g p u l s el a s e r l a s e rs e a l w e l d i n g o v e r l a p p e dw a v e i i i 华中科技大学硕士学位论文 = ：= = = i = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = j = ；= = = 目= ； 1 绪言 1 1 激光加工与应用 随着激光器件及其相关技术的发展，激光作为一种热源在材料加工中的应用得到 迅速发展。激光加工就是一种以激光束的热源和光能能源实现材料加工的技术，在 加工过程中，待加工的材料经过激光照射出现熔化、蒸发和相变等物理过程，利用 激光柬所产生的这类效应可实现材料的切割、焊接、打孔及表面处理等作业。尤其 在材料的微机械加工方面具有传统行业不可比拟的优势，因此激光加工在电子行业 的激光调阻、激光划片、微细加工等方面的应用一经问世，不但使激光材料加工迅 速实现了产业化，同时在改造传统产业方面，以机械行业为起点，正在向具有广阔 市场的冶金，汽车等支柱产业发展”【4 l 。 激光焊接所具有的特点为；( 1 ) 高能量密度、低热输入、小热变形量、熔化区 和热影响区窄而熔深大。( 2 ) 由于冷却速度快，从而得到微细焊缝组织，接头性能 好。( 3 ) 因为是非接触焊，不用电极，所以节省了工时。( 4 ) 不需要电子束焊时的 真空气氛。且保护气和压力可以选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生x 射 线。( 5 ) 可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接。( 6 ) 由于光纤的采用，激光可 以进行远距离的传输，因此局部的，柔性的加工成为可能。( 7 ) 由于利用计算机和 机械手，实现了焊接过程的自动化与精密控制【s 1 【6 】【7 1 。 铝及其合金激光焊接技术是近十几年来才发展起来的一项新技术，和传统焊接 技术相比，它在焊接精度、效率、可靠性、自动化等各方面都具有无可比拟的优越 性。铝激光焊接的工艺难度非常大，和钢等黑色金属相比，铝激光焊接时的光束反 射和等离子体屏蔽效应极为强烈，工件对光束能量的吸收很困难，同时容易产生裂 纹、气孔、接头软化等缺陷，只有采用大功率激光器和采取特殊工艺措施才能对铝 进行有效的焊接。 激光表面处理是将激光照射到材料表面，用以改变材料表面性能而达到加工目 的的一种无接触热加工工艺。它包括激光淬火、材料表面硬化、激光涂敷、材料表 华中科技大学硕士学位论文 一= = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = l = = = 一 面合金化等多种形式。近年来激光热处理也得到了广泛的应用，它具有加热速度快、 冷却速度快、可以自行冷却而无需淬火介质，同时表面硬化效果好。目前不仅可以 利用激光对钢进行热处理，也发展了对铸件进行激光处理，以提高材料表面硬度和 耐磨性。如今，表面精微处理学科亦得到飞速发展【2 1 。国外在七十年代就已成功地应 用了激光表面处理工艺：如美国通用汽车公司对齿轮箱内表面及柴油机缸套内壁进 行激光热处理；前苏联利哈乔夫汽车厂建立了发动机缸盖、缸套的热处理生产线等。 国内激光表面处理工艺应用起步较晚，但发展很快，已经在工业上应用的有汽车发 动机缸体、缸套内壁的激光淬火；纺织工业中锭杆的激光热处理；齿轮、齿条的齿面 激光硬化等。经过激光加工后，可明显提高材料表面硬度、耐磨能力及抗疲劳性， 从而大大延长了工件的使用寿命。 激光打标是生产工艺中广泛应用的一种技术。激光打标机理是利用激光与物质 相互作用的特殊效应，利用适当能量密度会聚在工件表面的激光光束对目标表面扫 描，使材料发生物理或化学的变化，在表面上形成痕迹，从而形成标记的过程。它 属于一种非接触的打标方式。一般说来，激光束对材料的标记过程中有如下几种作 用效应：( 1 ) 汽化效应：当激光束照射材料表面时，除一部分光被反射外，被材料 吸收的激光能量会迅速转变为热能，使其表面层温度急剧上升，当达到材料的汽化 温度时，材料表面因瞬时汽化、蒸发而出现标记痕迹，此类打标过程中将出现明显 的蒸发物。( 2 ) 刻蚀效应：当激光束照射到材料表层时，材料吸收光能并向内层传 导。设材料表面的吸收率为b ，内部的吸收率为a ，那么距表面深度为z 处的光强 为：，= ，0 p ”2 激光在材料表面热传导使其产生热熔效应。( 3 ) 光化学效应：对于 一些有机化合物材料，当其吸收激光能量后，材料的化学特性将发生变化。当激光 照射到有色的聚氯乙烯( p v c ) 表面时，由于消聚合化学效应，使其色彩减弱，与未受 激光照射的部分形成颜色差异，从而得到打标效果。与传统的加工方法( 如喷墨打印、 电火花加工、机械刀刻等) 相比，具有应用范围广、打标速度快、性能稳定、质量高、 运行成本低、环境污染小、易于用计算机控制及与其它设备实现同步运转等优点。 因此，激光打标已成为激光加工重要的应用领域之一。 激光切割，由于切缝小、热影响区窄、切割质量高、省料、切割速度快、噪声小、 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = ；= 易自动化等优点，激光切割几乎已为所有材料所接受，鉴于激光器的波长越短吸收 越高并且对于给定的光模结构和光学系统而言其聚焦也越细，因此n d ”：y a g 激光 器在激光切割的某些方面开始暂露头角，由于平均输出功率的提高，目前已由要求 精度的切割向大规格切割发展，如以每分钟切割2 米的速度切割汽车用的镀锌薄钢 板。激光切割产生显著的经济效益，仅以航空用铝合金而论，就较常规切割节省6 0 7 0 的成本1 1 1 1 2 1 。 1 2y a g 固体激光器与激光材料加工 在目前使用的激光系统中，以钇铝石榴石( y a g ) 激光器和c 0 2 激光器最为重 要吼c 0 2 激光器的功率可以高达1 0 0 k w ，但所采用的工频电源体积大，效率低， 适应性差，采用的多反射镜光学传输系统结构复杂，操作不便，这些都使激光焊接 和切割质量不及y a g 1 】【9 】。 y a g 激光器较输出相同功率的c 0 2 激光器还具有体积小，结构紧凑、投资和运 作成本适当及操作方便等优点【l o 】【l l 】( 各种材料加工用激光器比较见图l 1 ) 。尤其是 y a g 激光器利用光纤做传输通道不但提高了系统的灵活性，同时与工业机器人匹配 可组装成柔性系统，通过遥控实现微机械加工。用光纤传输的y a g 激光焊机见图1 2 。 鉴于y a g 激光器多方面的优势，以它为代表的固体激光器在材料领域内的销售额以 从1 9 9 1 年的9 2 8 6 万美元上升到1 9 9 5 年的6 0 9 8 4 万美元，而c 0 2 激光器在同期内 仅从1 4 2 0 0 万上升到4 7 3 1 6 万美元，其增长率( 2 2 ) 远不及y a g 激光器( 1 2 6 ) ( 1 2 1 ( 1 3 1 ( 1 4 1 。 裔5 4 蒌a 2 量-；麓哥lie lc t 光 ii ：跗1 聃l l 鳓斌卡j m 最长p m 华中科技大学硕士学位论文 ：一：= = = = 目= = = = = = = = = = = = = = = = = = g = = = = = 智 馘 斗 状 螺 * 皤 挚 图1 2 用光纤传输的n d ”：y a g 激光焊机 日本自九十年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从电阻焊向激光焊 接的转变，从而导致n d 3 + ：y a g 激光器在点焊市场上的快速增长。鉴于近几年脉冲激 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = # = = = = = = = = = = = ；= = = j = = = = ； 光焊接已实现微小型化，目前对这种紧凑型的n d 3 + ：y a g 焊机的需求正在大幅度增长。 n d 3 + ：y a g 激光器的品种很多，美国九十年代初已经拥有3 8 0 个品种( 脉冲运转 的2 0 2 个，连续运转的1 7 8 个) 。为适应材料加工对高平均输出功率的需要，近年来 相继出现多棒串连的，以及板条状的、管状的和高功率二极管抽运的n d 3 + ：y a g 激光 器。目前用闪光灯泵浦的n d 3 + ：y a g 激光器，连续输出功率已达1 2 0 0 w ，采用多棒 串联设计的，如四个晶棒串联输出功率已达3 0 0 0 w 以上；美国，日本，德国，加拿 大己能批量生产商品化的多棒串联n d 3 + ：y a g 激光器：如两棒6 0 0 w 的，三棒1 8 0 0 w 的，以及六棒2 4 0 0 w 的激光器。为减少热效应对激光输出功率的限制，美国，德国 还分别制出板条n d 3 + ：y a g 激光器和管状n d 3 + ：y a g 激光器，前者的连续输出功率高 达1 2 0 0 w ，后者的输出功率达1 0 0 0 w t m l 。用二极管泵浦的n d ”：y a g 激光器，其输 出功率也亦达千瓦级的水平，由于它具有克服效率低和热效应方面的潜力，必将成 为开发高功率固体激光器的一个重要方面。 1 3 铝及其合金的激光焊接方法与现状 铝及其合金由于具有高强度、高耐蚀性、耐高温、抗辐射、尺寸稳定性好、散 热快、屏蔽性好等优异的综合性能而受到了人们的广泛关注，并将取代部分传统的 金属材料而广泛应用于航空、航天、汽车制造业等领域。众所周知，微电子密封外 壳具有隔离外界有害气体的侵袭，提高电子组件的机械强度，提供电子组件的外嘲 线，保证电子组件的可靠性等功能。而电子组件，器件，系统的封装外壳是多种多 样的，在电子整机中要求外壳具有重量轻、密封性能好、散热性能好、强度高和屏 蔽等特点。由于铝及铝合金的密封机壳具有上述特点，因而在航空、航天、汽车电 子等各方面达到日益广泛的应用旧。任何材料只有被加工成构件后才能具有真正的 使用价值，而焊接是形成构件的必不可少的一种加工手段。 铝及其合金的焊接性差，难以形成高强度的焊接接头成为该种材料走向实用化 的一大障碍【l ”，因此，对铝及其合金研究开发的同时，国内外学者对铝材料的连接 问题进行了大量的研究。 目前采用的铝的焊接方法有钎焊、超声波焊、熔焊( t i g ，m i g ) 、电子束焊、 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 目= = = = # = = = = = = = ；= = = = ；自= = = = = = = ；= 一 环氧树脂粘接法等，在铝及其合金密封焊接过程中目前这些技术都不能满足气密性 等要求，必须选用特殊的焊接方法。 ( 1 ) 钎焊：钎焊一般采用搭接接头，这对于密封要求高，搭接接头很小的铝壳 封装焊接来讲，严重影响了钎料在材料上的润湿1 9 1 ，同时给焊接过程中温度控制带 来困难，另外铝及其合金表面的氧化膜严重影响钎料在材料表面上的润湿与铺展， 因此钎焊工艺不易实现铝壳的封装焊接。 ( 2 ) 超声波焊：此种方法不能保证铝壳的密封性。因此也不考虑用于铝壳的封 装焊接。 ( 3 ) 电阻焊：此种焊接方法较为可靠，但此方法要求待焊材料具有较高得电阻 率，因而难以实现铝的焊接。 ( 4 ) 电子束焊：此方法具有热影响区小，焊接精度高的优点，但焊接时要有真 空室和高精度的控制装置，因而焊接成本高，而且用此方法进行封装焊接室往往需 要进行二次焊接。 ( 5 ) 熔焊( t i g ，m i g ) ：t i g ，m i g 作为应用范围广，使用成本低的理想焊接 方法应用于铝及其合金的焊接取得了令人满意的焊接质量，但是，由于手机锂电池 的铝壳厚度仅为i m m 左右，这两种焊接方法很容易出现未焊透和烧损铝壳的弊病。 最困难的是在铝壳拐角处不易形成良好的焊缝，且不易实现自动化，焊接生产率低。 还有由于功率密度低，加热时间长，导致热影响区宽，焊缝晶粒粗大，不仅焊接接 头的机械性能差于母材，而且很容易出现气孔、裂纹等缺陷。 ( 6 ) 环氧树脂粘接法：这种方法成本低廉，便于大规模生产，但是树脂本身有 一定得吸湿性，造成这种封装的耐湿性能较差； ( 7 ) 激光焊：激光焊接技术是采用精确聚焦的高功率密度激光光束，它能确保 高速局部加热，而且可以不用焊料和焊剂。其中，波长为1 0 6 i m 的掺n d ”：y a g 激 光器，在微电子领域得到广泛的应用，对铝外壳的激光封装焊接有重要意义。与传 统的焊接技术相比，它在焊接精度、效率、可靠性、自动化等各方面具有无可比拟 的优越性。 在激光焊接技术中还有如下的几种组合焊接形式【2 0 】：激光一t i g 组合焊和激光 6 华中科技大学硕士学位论文 ：一= = ；= = ；= = = = = ；= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 目一 - - m i g 组合焊技术激光t i g 组合焊，激光一m i g 组合焊。这几种焊接方法是近几 年国外铝激光焊接技术研究发展的一个重要方向a 图1 3t i g 一激光组合焊接原理图 图1 - 4m i g 激光组合焊接原理图 在激光焊接中，同时使用t i g 焊接方式有三个目的：其一，铝固体表面对激光 的反射极强，而液态时的反射很小，因此，先用t i g 焊熔化母材表层，再照射激光， 就能提高工件对激光的吸收能力；其二，激光照射到焊口后， f i g 焊熔深加上激光焊 熔深，可使熔深增大；其三，使t i g 焊的电弧稳定。当t i g 焊的速度加快时，阳极斑 点不稳定，会产生电弧飘移，若并用激光焊，则t i g 焊的电弧就可借助激光引起的 等离子体而得以稳定，因此，采用l a s e r - t i g 联合焊技术可以对铝进行大熔深、高速 焊。激光m i g 组合焊接除了可以增大熔深以外，同时可以通过焊丝成分、直径及 送丝速度等参数的变化来对焊缝金属和合金系统进行调整，以防止焊接裂纹的产生， 这在焊接裂纹倾向较大的中、厚板时尤为有利，激光一m i g 组合焊技术在铝合金中、 厚板焊接领域中具有广阔的应用前景。 固态时的铝及其合金内部自由电子密度很高，易与光束的光子作用而将能量反 射掉，使得铝及其合金对波长为1 0 6 u m 激光有极高的反射率( 纯铝达9 8 ) ，而且 在大多数情况下，铝及其合金的热导率在室温下约为1 8 0 w ( m k ) ，是可焊性好的 中碳钢( 6 3 w ( m k ) ) 的3 倍。 由于激光焊接是在很短时间内完成的，使铝金属局部加热熔融，又急剧冷却凝 固。这一过程时间极短、变化极其复杂、等离予屏蔽效应极为强烈、影响焊接的因 素很多：譬如，铝金属表面对激光束的反射与吸收、接头坡口几何形状、焊接参数 的选择、焊接时焊缝中裂纹和气孔等等。因此铝及其合金的激光焊接是激光加工中 的一项难题。只有采用大功率激光器和采取特殊的工艺措施才能对铝进行有效的焊接。 华中科技大学硕士学位论文 激光焊接方法不仅生产率高，而且接头性能优越，所有焊缝强度等于或者超过 母材。在焊接过程中，热变形小且加工速度高，加工过程无接触以及可用计算机进 行程序控制等模式的激光焊接。近年来，随着大功率、高性能激光加工设备的不断 研制开发，在日本，美国，英国，德国等发达国家，铝的激光焊接技术发展很快， 铝合金的激光焊接技术已经逐步走向成熟。日本轻金属熔接技术协会铝合金激光焊 接专委会1 9 9 1 年对日本铝合金机关焊接工艺的现状进行了一项专项调查，统计结果 显示，在着手调查的5 4 家大公司和科研机构中，已经采用铝合金激光焊接工艺的有 7 家，将来拟采用的有3 6 家。这表明，铝激光焊接技术是未来激光焊接技术的主要 发展方向之一【2 ”。国内由于受到激光在时间和空间上不均匀性的限制，使激光焊的 稳定性和重复性很差。对微波器件、组件普遍采用的铝合金腔体而言，其激光密封 焊接技术亦正处于起步和探索阶段。 1 4y a g 脉冲激光电源与现状 固体激光器可分为脉冲工作方式与连续工作方式两大类。因此，固体激光器电 源也可以分为脉冲激光电源与连续激光电源两大类。本课题中铝及其合金的封装焊 接选用脉冲y a g 激光器进行焊接。 激光电源是激光器的能源，它向激光器提供泵浦能量，控制激光输出强弱和重 复频率，因此激光电源是激光器必不可少的重要组成部分。自从出现了以体积小， 重量轻，效率高为特征的开关电源，现已为人们熟知并被广泛应用，开关型激光电 源已成为固体激光电源的主要形式。 固体脉冲激光电源，是为脉冲氙灯提供电能的设备。脉冲电源尽管工作频率有 高有低，功率有大有小，但它们的基本组成是相同的，即均由充电电路、触发电路、 放电电路三部分组成。脉冲电源的工作特点是工作于周期性的由满载到空载的急剧 变化的状态中【2 2 】【2 3 】。 由于高压脉冲氙灯的恶劣工作条件，即开启时需要有上万伏的高电压触发，工 作时又有几百安培的大电流冲击，电路有时工作在完全短路状态，有时又工作在完 全开路的状态，这些对脉冲激光电源就提出了的非常苛刻要求。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = # = = = = = = = = 目= = = = = ；= = 脉冲电源按充电方式分电流型( 串联谐振式) 脉冲电源和电压型型脉冲电源两大 类。现有的脉冲式激光电源，一般采用电压型充电方式，这种方式下，充电电流主 要受输出电压的影响，在充电前半个周期，有较大的电流尖峰，必须选取电流定额 较大的功率管。而充电后半期，电流值很小，造成功率管定额浪判2 4 】【2 5 1 。而且，输 出电压按非线性曲线上升，不够理想。串联谐振电路对电容充电属电流型充电方式。 与电压型相比，电流型的最大优点是充电电流不随时间衰减，使得输出电压的呈线 性上升。这样，可以有效地使用功率管的定额，同时整机性能也得到相应改善。本 课题重点研究开关型脉冲激光电源与谐振型脉冲激光电源。 早期的脉冲激光电源，如谐振充电型或l c 恒流充电型激光电源，都是用工频 交流变压器进行升压，并实现对电网的隔离【2 6 1 1 2 。由于工频变压器体积较大，又很 笨重【2 吼。在激光技术领域，人们从7 0 年代开始研制开关型激光电源，它是将工频交 流直接整流成直流，再用开关功率变换方法，将直流逆变成中频交流，通过中频变 压器提供泵浦能量。由于中频变压器的体积和重量远小于同等重量的工频变压器， 因此整个激光电源的体积和重量大大减小，同时，由于频率的提高，每周期中给储 能电容器充电电量少，通过充电电压的控制，可使充电电压实现稳定，而且可调， 从而大大提高了激光输出的稳定性和使用方便性 2 9 1 3 0 1 。 谐振脉冲充电逆变器有并联型、串联型和串并联混和型三种，并联谐振型有良 好的负载开路特性，但在负载短路时，相当于谐振电容短路，谐振条件被破坏；串 联谐振型有良好的短路特性，但在负载开路时，变压器原边相当于大电感，谐振条 件受到破坏。容性负载电路有时工作在几乎完全开路状态，有时又工作在完全短路 状态，串并联谐振电路兼备以上两种电路的优点【3 l 】【3 2 】【3 3 】，在负载开路或者短路时都 不影响谐振，对容性负载有很好的适应能力。这种电路能实现高重复率运转，即在 一个电容器对负载放电的同时，也完成了对另一个电容器充电，这是明显优于传统 谐振充电方式的一个特点，因后者就是由于谐振充电周期太长而限制了重复频率的 提高。电流型的最大优点是充电电流不随时间衰减，使得输出电压的上升呈现线性， 这样可以有效地使用功率管1 的定额，减小了尖峰电流对功率管的冲击，可以降低 功率管定额，使整机工作更加可靠 3 4 1 1 3 5 1 1 3 6 1 。图1 ，5 为典型谐振充电方式激光电源原理框图。 9 华中科技大学硕士学位论文 图1 5 电源原理框图 图1 5 中的整个电路分为主电路和控制电路两部分。来自电网的3 8 0 v 交流电压 经整流滤波后得到5 2 0 v 左右的直流电压，加到谐振变换器上。谐振电流经变压器， 再经高频高压整流电路向储能电容充电。储能电容上电压充到预定值( 1 0 0 0 v ) 后，控 制电路发出信号，将晶闸管触发导通，电容上电压快速向脉冲氙灯释放，使激光器 工作。 以往，激光器普遍采用晶闸管作为逆变元件的开关电源，但这种电源存在以下 缺点： ( 1 ) 由于晶闸管的开关速度慢，因此逆变器工作频率不可能很高，这就限制了 储能元件的充电速度和充电精度。 ( 2 ) 使用经验表明：晶闸管开关型激光电源，经常出现两管直通现象，这是因 为脉冲激光电源的强干扰信号多，使晶闸管误触发导通。 ( 3 ) 存在严重的工作噪声，不仅干扰电网上的其他设备，也对自身电路形成强 烈的电磁干扰。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = = = 自= = _ 2 手机锂电池铝壳的激光封装焊接工艺及分析 本章节从激光密封技术的制约因素出发，详细论述铝制腔体激光密封焊接的工 艺条件及工艺方法。并通过试验，对铝制壳体进行了高质量、无裂缝的焊接，并将 其成功应用与生产。手机锂电池的铝外壳不仅通过了l x l 0 4 p a m 3 ，s 的a 级泄漏率标准， 而且各项指标完全满足应用需要。 2 1 铝壳激光封装焊接的试验条件及方法 2 1 1 制作工艺流程 制作工艺流程如下：焊接壳体的准备腔体表面处理清洗器件组装 焊缝边缘清洗焊接( 注意控制保护气体) 气密性检测性能测试一 一金相分析 2 1 2 仪器与设备 h g y - 1 2 0 y a g 脉冲激光焊接机( 最大功率5 0 0 w ：频率o 一3 0 h z ；v 。：5 0 0 v 工作方式：手动与自动：y a g 晶体尺寸：巾7 x 1 4 1 m m ；介质膨胀系数：2 0 m m ；输出 镜透过率：7 0 ) 。n i k o n 金相显微镜，b a l z e r s 氦质谱检漏仪，氟油检漏仪，l e i c a 5 0 显微镜。 2 1 3 操作条件 透镜：1 2 0 m m 氮气压力： o 5 m p a 干燥氮气流量： 2 0 l r a i n 氮气瓶漏点温度： 3 5 c 冷却水要求：去离子水 冷却水温度： 3 2 c 冷却水流量：2 1 0 l m i n 华中科技大学硕士学位论文 真空烘箱设置温度： 1 l o 。c 2 1 4 具体实验 激光焊接铝外壳，每个焊点时间短、变化复杂、要求高。为便于对焊接过程中 出现的技术问题进行讨论( 激光焊接示意图如图2 - 1 ) ，用现有实验条件做如下实验： 图2 1 激光焊接示意图 实验l 比较铝材表面不同处理方法的激光焊点状态。 条件：铝材l 3 ；激光焊点参数：f = 1 5 h z ，t = 1 0 m s ，e = 2 6 1 w s ，光斑= 由l m m ， n 2 = o 5 m p a 。图2 2 为表面氧化、打毛、镀镍处理后的铝表面微观图。其中： 处理方式：表面机加工表面氧化表面打毛表面镀镍 熔池深度u m ： 1 0 0 1 8 5 2 0 2 2 1 0 熔池宽度u m ：4 3 0 6 2 36 5 56 8 0 ( a ) 表面机加工的铝( b ) 表面氧化的铝 华中科技大学硕士学位论文 = ：# = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ( c ) 表面打毛的铝 ( d ) 表面镀镍的铝 图2 - 2 表面处理后的铝表面微观图 实验2 激光焊接参数值的选择。 条件：表面镀镍处理的铝材l 3 ；光斑= 击1 0 m m ；当f = 1 5 h z 时： 能量e w s 1 5 02 o o2 5 02 6 9 3 0 0 脉宽t m s ： o 5 7o 7 80 9 31 0 0 1 1 0 熔池深a m ： 1 8 01 9 52 0 02 1 22 3 0 熔池宽a mt 5 0 05 8 06 3 06 8 6 8 0 0 实验3 比较铝激光焊接，不同表面处理方法，接头形状对焊缝的裂纹、气孔、 漏率的影响。 条件：激光焊接参数值f = 1 5 h z ，t = 1 5 m s ，e = 2 6 1 w s ，光斑= 由1 0 m m ，n 2 = 0 5 m p a ； 铝材料l 3 ，接头形式及焊接效果( 有无裂纹气孔) 见下表2 一l ： 表2 - 1 ：焊接效果 接头形状表面氧化的铝表面镀镍的铝漏率 冒涔 没有没有 1 x 1 0 。6k p o c m 3 s 一 没有没有 lx 1 0 。圮c m 3 s 华中科技大学硕士学位论文 ：一= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = _ 2 2 结论及讨论 激光焊接是直接用精确聚焦的高功率密度激光束在特定区域实现一种特殊的熔 化焊接过程。当激光束射到铝金属表面后，立即在铝金属表面产生一系列极其复杂 的物理化学和冶金上的变化过程，铝金属表面对激光束的反射与吸收；吸收的光能转 换成热能；一部份能量在表面引起铝的化学反应( 保护气2 ，q 等) ；一部份能量进行扩 散和传导；引起金属表面物理特性的瞬态变化；铝金属的蒸发和熔化；金属之间产生的 局部冶金过程和金相组织变化；以及熔融铝金属在冷却过程中所发生的气体溶解变化 和热应力变化等。而这一系列复杂的变化过程是在极短时间内完成的，所以，一旦 选定激光焊接参数，铝金属表面的焊缝处将出现一系列技术问题。当金属材料在功 率密度为e o ( x ，y ) 的激光照射下，并在x 方向一速度v 移动时，如果不计从表面的损 失，则稳定状态时的某点( x ，y ，z ) 温度上升由下式决定【3 7 】： r 舻，= 与rr f警脚掣户方沈。cz二，4c p ( a 口) 2 o 、 7 式中a ：吸收率( a = 1 r ) ：r ：发射率；c ：比热；p ：密度；口：导温系数( 口= , z l c p ) ； t ：时间；a ：传热系数。由上式可知，当材料对激光的吸收率a 功率密度越高，或 者传热系数越小，激光能量被材料表面吸收的越多，并且使材料表面温度迅速上升， 直至使材料熔化或蒸发。 2 2 1 壳体性能对焊接质量的影响 ( 1 ) 材料的影响 在激光焊接时，影响可焊性的主要金属性能有：热力学、机械性能、表面条件、 冶金和化学性能。铝合金材料的表面张力、粘度、热传导率等物理性能对其激光焊 接时的熔化特性和焊缝成形影响很大。研究指出，较低的液体金属粘度和热传导率 有利于增大熔深，而较小的表面张力，一方面有利于金属蒸汽产生和逸出，而在其 反作用力的作用下加大熔深，另一方面又会导致液体金属容易溅出熔池，而造成焊 缝表面下凹。铝及其合金因其特殊的物理及化学特性，在焊接时具有以下显著特点 3 8 3 9 1 1 4 0 4 1 1 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 与氧的亲和力大，焊接时往往使用惰性气体保护熔池免受氧化。本课题中 就是用氮气作为保护气。 ( 2 ) 具有良好的导热性和导电性，焊接需要较大功率。 ( 3 ) 高温强度低，塑性差( 纯铝在6 4 0 6 5 0 间的伸长率 o 6 9 ) ，线膨胀 系数大，凝固时体积收缩率达6 6 ，造成焊件较大的内应力、变形和裂纹倾向。 ( 4 ) 如果铝合金里含有m g ，z n 等低沸点元素，在焊接过程中这些元素极易蒸 发，烧损，从而改变焊缝金属的合金成分，降低焊接接头的各项性能。 基于上述这些理由，为对铝壳体进行高质量，高强度，无裂纹的焊接，必须对 材料迸行认真的选取。同时还要考虑铝合金元素的固熔强化和沉淀强化可以提高铝 壳的机械性能。对于激光焊接中在选择壳体材料时，一方面要考虑成本和机加工能 力，另一方面对于m g ，z n 等低沸点金属较多的铝合金是不能采用的，对于盖板门 主要是考虑其延展性，可以采用硅铝板。由于试验条件的限制，本壳体一律采用三3 材 料。 ( 2 ) 表面条件的影响 被焊材料的表面状况也是影响焊接的关键因素。从下图可见波长与吸收率的关 系】，我们知道波长越短，吸收率越高4 2 】【4 3 。本试验激光焊接机采用标准的n d ：y a g 激光，波长为1 0 6l ai l l ，且功率较大，对铝的焊接完全适用。 波长 f u m l 图2 3 若干金属与波长有关的吸收性能 同时高反射率的表面条件不利于获得良好的焊接质量。铝及其合金具有较高的发射 华中科技大学硕士学位论文 率，对激光的吸收能力很弱。进行铝激光焊接，首先碰到的同时也是最难解决的问 题就是铝对入射光束的强烈反射，研究表明，对c 0 2 激光和y a g 激光，铝表面在室 温时的初始反射率都在9 0 以上，远远高于钢等黑色金属。因此，若要有效地对铝 进行激光焊接，就必须采取适当的表面预处理措施来降低反射，改善吸收，国外学 者在这方面作了大量工作，如表2 2 ： 表2 2 不同表面处理方式下的吸收率 原始表面电解抛光喷沙阳极氧化 l 纯铝 7 5 2 0 2 2 c a h u n t i n g t o n 等人详细研究了铝在原始表面( 铣、车加工后) 、喷砂( 3 0 目砂子) 、 电解抛光、阳极氧化( 氧化层厚度埘级) 四种表面状况下对入射光束能量的吸收情况， 如表2 2 示，可见，阳极氧化和喷砂处理可以显著地提高铝对光束的能量吸收。其它 学者的研究也证实，砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化 等铝表面预处理措施对改善吸收是有效的。在壳体的激光焊接中为提高铝壳的耐腐 蚀绝缘子的焊接能力，可以对壳体进行化学镀镍。但是在镀层中的磷和部分生化增 光剂为激光密封焊接带来了相当的难度。在高温下，磷和生化增光剂易变成气态给 焊接区带来裂纹和气孔，严重影响封装质量。为此，必须严格控制镀层中的磷的含 量和镀层的厚度。试验表明，在磷含量低于l o f l 勺情况下，采用5 0 i lm 的镀层均可 收到良好的焊接效果。图2 - 4 、图2 5 分别为镀镍处理的无裂纹与无气孔焊缝图。 图2 - 4 铝表面镀镍处理的无裂纹焊缝图 图2 - 5 表面镀镍处理的无气孔焊缝图 从第3 组试验中可以选择铝合金进行表面处理，防止焊缝裂纹的产生。对于波 一。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 长1 0 6pm 的掺n d ：y a g 激光，铝在室温时对入射光束的初始反射率为9 3 。实验 1 表明：铝原始表面( 铝机加工后的表面) 的激光焊点熔池深度为1 0 0um ，宽度为4 3 0 um ，与铝表面经过处理的，如铝表面镀镍的激光焊点( 熔池深度2 1 01 tm ，宽度6 8 0 t 1m ) 比较，可以明显看出，在相同条件下