激光微焊接薄金屬材料的優(yōu)勢與挑戰

發(fā)布時(shí)間: 2020-05-22


激光焊接/傳統焊接

在現代工業(yè)中,對薄金屬材料進(jìn)行高效的加工和/或電氣微連接的需求不斷增加。在很多領(lǐng)域中,材料或工藝的兼容性不足以進(jìn)行常規的熱處理,例如焊接、硬釬焊和軟釬焊,或不希望使用粘合劑和機械緊固件。這種情況可能在儲能行業(yè)非常普遍,因為作為新興動(dòng)力電池行業(yè)關(guān)鍵部件的下一代電池,需要使用薄箔片來(lái)制造陰極和陽(yáng)極。而在消費電子行業(yè)中,高密度封裝和微型化不斷推動(dòng)創(chuàng )新,也對傳統的連接技術(shù)提出挑戰.

從激光器的角度來(lái)看,存在諸多挑戰,使得薄金屬材料的微焊接異常困難。要成功進(jìn)行焊接,需要避免焊接穿孔、變形和彎曲,所有這些目標都需要仔細控制過(guò)程的熱輸入。在傳統的激光深熔焊接工藝中,克服材料閾值通常需要較高的平均功率。高反材料和異種金屬的焊接所需的平均功率可能更高,基本難題之一是使用熱傳導焊工藝還是使用深熔焊工藝。熱傳導焊接時(shí),寬度較大、強度較弱的熱源往往會(huì )產(chǎn)生較高的熱輸入和熱影響區,因此通常不建議將其作為解決薄片金屬焊接問(wèn)題的辦法。在深熔焊時(shí),高集中、高強度的熱源可盡可能減小熔池,從而有助于控制熱輸入。因此,深熔焊接參數的調試對于獲得高質(zhì)量的結果至關(guān)重要.

焊接時(shí)廣泛采用的一種方法是使用納秒(ns)脈沖光纖激光器。這些短脈沖、高峰值強度的激光器可能更適合于打標、雕刻和其他材料去除過(guò)程,所以憑直覺(jué)判斷,它們用于材料焊接過(guò)程時(shí)可能會(huì )起相反的作用。但主振蕩功率放大器(MOPA)提供的脈沖控制具有出色的參數靈活性,從而實(shí)現了可能進(jìn)行金屬接合的處理方式。納秒脈沖光纖激光器以幾微焦到>1mJ的脈沖能量運行,脈沖持續時(shí)間范圍10-1000ns,并能達到>10千瓦的峰值功率,以高達4MHz的頻率運行,從而明顯區別于連續波(CW)等傳統激光器甚至準CW(QCW)長(cháng)脈沖激光器,但很多還是在這些范圍內運行。

使用納秒微焊接作為焊接工具適用于多種應用,也適合于克服從箔材到異種金屬的焊接挑戰。薄金屬箔(<50μm)的接合尤其具有挑戰性,因為它需要進(jìn)行非常微妙的能量平衡,足以使金屬熔化,但又不能產(chǎn)生顯著(zhù)的汽化和等離子體。箔材易于使用搭接方式進(jìn)行焊接,在這種工藝中,箔材之間緊密接觸是實(shí)現良好效果的必要條件,但這對夾具提出了重大挑戰。如今的電池生產(chǎn)過(guò)程對多層箔材疊合焊接有許多嚴格的要求,現有技術(shù)是超聲焊接,但制造商越來(lái)越希望使用激光焊接來(lái)提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量并改進(jìn)箔材堆疊限制。激光器可提供很多潛在解決方案,但紅外(IR)納秒激光器已證明能夠使用200W EP-Z激光器焊接多達20層以上銅箔或鋁箔,但消除該應用中的孔隙率具有高度的挑戰性。

納秒脈沖光纖激光器的峰值功率較高,意味著(zhù)可以較容易地以很小的平均功率進(jìn)入銅等高反金屬中。使用納秒微焊接工藝作為焊接的一種替代方法,將元件直接貼合在銅印刷電路板(PCB)軌道上的研究顯示出了巨大的前景。目前已經(jīng)成功將厚達150μm的銅引線(xiàn)貼合到>60μm的沉積軌道上,而與FR4基板之間沒(méi)有任何明顯的分層。這為熱敏元件或工作溫度可能超過(guò)傳統焊接極限的元件的貼合提供了替代方案。

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