為了實現電接觸而連接導電零件是最常見的焊接應用之一。它遍及幾乎所有的工業應用場合，如汽車、電氣和電子設備，以及醫療設備。所采用的連接技術需要綜合考慮到成本、焊接性能以及產量。隨著零件尺寸不斷縮小以及性能要求的逐步提高，一切傳統的連接技術，如壓接、熱焊接和釬焊都不再適用。相比之下，定位焊接憑借著焊點完整、牢固且傳導性能良好等優勢，很快成為必備的標準焊接技術。 首選的材料是銅，因為它能夠有效地傳導能量和傳輸信號。銅的材料特性使它非常適合作為導體，但是很難被焊接。此外，由于零件尺寸變小，接點已經達到“微型焊接”尺寸，這樣，焊接的難度就更大了。 銅的微型焊接給這些小型導電零件的熱平衡控制帶來巨大的挑戰——因為必須要保證焊接的質量，同時確保不會過熱或者受熱不足。制造商們能否同時滿足這些要求呢？是的，利用波長為532 nm的綠色激光焊機就能夠實現。在討論目前各種可選的焊接技術以前，我們先定義一下微型焊接：微型焊接是兩種材料的接合，其中至少一種材料的厚度小于0.02英寸。目前可選的技術包括：超聲波焊接技術，電阻焊接技術和激光焊接技術。 超聲波焊接技術是一種有效的焊接技術，被用來連接銅板和其他零件；然而，這是一個機械連接的過程，它受限于零件的機械力、接口特點、接點的幾何形狀，以及不同零件的形狀組合。 電阻焊接技術是一種切實可行的技術，但是，它受到接點形狀的限制，并且需要購買小型傳導電極，還需要維護。 因為超聲波焊接和電阻焊接兩種技術都需要與零件直接接觸以產生接點，總的焊接時間等于制動周期加上焊接時間。對于大規模制造業來說，這意味著大量的時間延遲。 與此相反，激光焊接是一個非接觸的加工過程，只需要單向加工。它能夠加工很小的面積，焊接各種不同形狀的零件。看起來似乎很適合銅材料的焊接，但是，這里還有一個問題。在波長1064 nm處，銅材料的反射率大于90%。因此，為了克服初始反射率高的問題，就需要很大的功率密度。一旦激光接觸到材料，材料開始熔化，反射率就會迅速下降。初始時所需要的功率密度遠大于焊接時所需要的功率，導致材料過熱蒸發，在焊點處孔隙率過高，或者形成一個空洞。 許多不同的技術已被用來克服這個反射率的問題，包括脈沖整形、利用氧氣輔助，以及采用反射率小的覆層金屬。 激光整形技術并不是很可靠，因為銅以及其他導電零件的反射率存在一定的變化，這樣減小激光功率的時間點也需要相應的進行變化。目前，已有技術人員嘗試利用反饋技術來估計這個時間點，但是，這些試驗并沒有成功。利用氧氣作為輔助氣體，大大地提高了線形銅焊接中激光的穿透率，因為待焊接的零件上被覆蓋了一層氧化物薄膜。但是，該技術并不適用于點焊接，因為氧氣的輔助作用必須在連續幾個脈沖走過之后才能顯現出來，這樣，在單個點或者短焊縫的焊接中，該技術就無法提供可靠的結果。采用反射率較小的覆層，比如鎳或者錫，的確能夠降低初始的反射率，但是，它無法完全解決問題，因為在激光與銅作用的過程中，仍然需要很大的能量使得激光耦合到銅材料。因此，微型焊接的可加工范圍就非常? ?為了在銅材料表面形成良好、穩固的激光焊接點，就找出阻礙良好焊接的根本原因——材料反射率。當波長從1064 nm變為532 nm時，銅以及其他材料的反射率就大大減小了（見表1）。采用532 nm波長的激光使得激光光束持續耦合到銅材料上，并且穩定了焊接過程。圖1給出了采用1064 nm和532 nm激光對沒有鍍層的銅材料進行焊接后的結果對比。采用532 nm激光時在銅材料上的焊接效果，可與1064 nm激光在鋼材料上的焊接結果相媲美。 為了對銅材料成功地進行微型焊接，必須采用波長為532 nm的綠色激光。實現該波長可以有兩種方式，最常見的方法是利用調Q激光器，但是這樣的激光器沒有足夠的脈沖能量進行焊接。更新型的技術是采用Nd:YAG脈沖激光器，它所得到的532 nm激光，峰值功率達到1.5 kW，脈寬5 ms。這就提供了足夠的焊接能量，能夠穿透厚度達350微米的銅板。這樣的能量，在大多數微型焊接應用中已經足夠了。采用由光纖傳輸的Nd:YAG脈沖激光的另一項好處是光束的亮度低，這提高了焦斑點處吸收光的程度，避免了在焊點中心形成過熱點而產生不穩定性。 眾多的應用領域 產品中的電氣連接在其尺寸、形狀與材料上存在著很大的區別。因此，這里給出了一些例子來說明532 nm激光焊接的性能和優勢。 半導體連接 圖2中給出了焊接到金屬板上的0.0015英寸厚的鍍金銅線。由于銅線橫向比較寬，但是厚度很小，所以必需用一個尺寸相對較大的光斑來進行焊接。在這種情況下，具有長脈寬和低峰值功率的激光能夠提供較好的能量流，而且光束的低亮度使得扁平的銅線在整個橫向的寬度上都得到均勻的加熱。 平面與圓型端點的連接 激光加工具有高度的靈活性，特別是當加工的接點以及兩端的幾何形狀不同時更為有利。圖3給出了側向為矩形的鍍金銅制連接器與鍍銀銅線之間的焊接點。焊接點呈“煙斗”狀，線的一端與頂端之間形成焊點。激光光束與銅線的圓型頂端以及銅板平面之間的耦合使得整個焊接過程非常可靠。同樣的，由于激光光束的亮度低，使得整個加工過程更有利于零件的接合。線到平面的連接 另一種焊接構型是焊接實心和成束的線。當線被焊接到薄板上時，線與板子都必須同時不斷對激光能量進行吸收，以保證焊點的固定性（圖4）。類似的，當焊接成束的線時，必須控制線的分布，以確保整束線對激光的吸收。 框架的焊接 在大規模生產中，若要焊接框架上的不同接點，其關鍵就是焊接質量和焊接速度。由于激光焊接是一個非接觸式的過程，它非常有利于大規模的生產加工。在整合了激光光束的移動后，它能夠在一秒鐘內得到許多個焊點（見圖5）。 不同材料之間的焊接 當焊接的材料有不同的吸收率時，經常出現的情況是：吸收率大的材料過熱，導致材料飛濺或者產生孔洞。通常，克服這個問題的辦法是加工時偏向其中一種材料。但是，對于小型零件來說，即使很微小的吸收不均也會導致焊接過熱。如果采用波長為532 nm的激光，由于兩個零件的反射率更為接近，就能夠實現焊接過程的能量平衡，從而大大提高可焊接率（如圖6）。 小結 銅材料的焊接是一個比較困難的工序，而微型銅焊接使得該加工的難度更大。激光焊接是實現銅材料的接合過程的一項實用技術，它采用非接觸式的加工方式，十分適用于自動化的加工過程。然而，銅在1064 nm波長處的反射率很高，阻礙了激光加工的實現。為了克服這個困難，我們采用532 nm波長的綠色Nd:YAG激光焊機，它為銅材料和其他導電材料的大規模微型焊接提供了行之有效的方法。 本文作者Geoff Shannon和Paul Severloh來自美國Miyachi Unitek公司，公司網址：www.muc.miyachi.com。