激光微焊接技术专利技术思考

2022-09-21 16:46:08 来源:写作指导

摘要:激光微焊接技术在近年来的发展炙手可热,被广泛应用在一些高精密器材的焊接上,是国内外院校和企业的研究热点。为了研究激光微焊接专利技术在国内外的发展情况,笔者对激光微焊接领域的全球专利申请数据进行检索和统计分析,中文数据库选择中国专利摘要数据库(CNABS),外文数据库选择德温特世界专利索引数据库(DWPI)和世界专利文摘数据库(SIPOABS),从而获得进行统计分析的专利样本,检索时间截止到 2020 年 8 月 10 日。本文对激光点焊微连接技术领域的专利申请进行分析,从国内外专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析,阐述了激光点焊微连接技术领域的专利申请发展趋势,追踪了激光点焊微连接技术领域的发展脉络,对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。

1.激光微焊接技术专利全球申请量趋势分析

激光微焊接的专利申请最早出现在 20 世纪 70 年代,相距 1960 年第一束激光被人类科学家获得、世界上第一台激光器诞生,只有十余年的时间,这说明自激光器产生以来,其应用的领域发展是很快的,虽然当时的申请量极少。在 2000 年之前,激光微焊接方面的国外专利申请量一直处于低速发展阶段,每年的申请总量基本保持平稳状态,增量极少。2000 年之后,国外的申请总量保持稳步增长,进入稳步发展阶段。由于我国的《专利法》实施时间较晚,在《专利法》实施之后,国内相继出现了激光微焊接方面的专利申请,并且在 2008 年之后,国内在激光微焊接领域的专利申请量大幅增长,申请量远超国外在该领域的专利申请量,激光微焊接技术在国内呈现蓬勃发展的趋势。(1)萌芽期(1987 年之前)在 1977 年,专利 JPS5454937A 便公开了一种激光微焊接技术,在 1987 年之前,该技术发展处于萌芽期,总体申请量较少。(2)低速增长期(1988~1995 年)由图 1 中可以看出,在 1988~1995 年之间,关于激光微焊接的专利申请量一直处于低速发展阶段,申请总量保持平稳。(3)平稳增长期(1996 年之后)由图 1 中可以看出,在 1996 年之后,关于激光微焊接的专利申请量处于平稳增长期,申请总量保持平稳。激光微焊接领域的申请国较为集中,主要集中在中国、美国、欧洲、日本、德国,其他国家所占申请量比例极小。申请量排名前十的申请人分别为:江苏大学、大族激光科技产业集团、SCIMED LIFE、SYSTEMS INC、电子科技大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学、苏州润昇精密机械有限公司等,中国近年来的申请人相对于国外的较多,在排名前 10的申请人多数为中国申请人。

2.激光微焊接领域专利技术发展路线

在检索分析过程中发现专利库中有关激光微焊接的申请主要集中在医疗器件和电子器件两个领域,而医疗器件又集中在钛镍形状记忆合金和不锈钢材料的微焊接,因此,下面就加工对象中的医疗器件和电子器件两方面的激光微焊接进行技术发展路线的分析。

2.1 激光微焊接技术在医疗器件焊接中的技术发展

1996 年 DE19634245A1 提及了采用激光微焊接的方式焊接医疗用血管支架,血管支架具有圆柱形管状形状,并且在保持固定在适当位置时,通过塑性变形扩展到其功能直径,并被送入血管腔中。支架的主体包括彼此相邻并平行定位的多个圆形线带,通过在不同位置进行激光微焊接形成激光焊接点将条带连接在一起。当向主体施加径向力时,支架会变形以产生在焊接点处接合的格子状结构。1998 年专利文献 US6036725A 提及了另外一种采用激光微焊接制造血管支架的方法,焊接的支架(10)包括曲折线(12),其端部(32,34)被焊接(36)在一起以形成管状形状(14)。等距分布的矩形薄板(16)沿支架周向放置,并在 2 个位置(38,40)焊接到金属丝上。当支架扩张以在它们之间留下间隙(22)时,这些板沿径向运动,这些板具有抗凝结涂层。针对网状镂空结构的支架,在国内外均尝试使用激光进行切割或雕刻以形成网状镂空结构,但使用该方法制备出的支架脆性大、柔韧性差,且由于成本和管材制备技术的限制,难以制造更细或者更复杂的支架。针对该问题,太原理工大学的专利申请 CN108213704A 通过在圆柱形模具上固定NiTi 形状记忆合金丝;然后将装配有 NiTi 形状记忆合金丝的圆柱形模具固定在激光器的工作平台上,将接触点的一侧水平朝上放置,惰性气体保护下启动激光器,依次对一侧的接触点进行激光微连接,然后调整圆柱形模具的方向,将未进行激光微连接的另一侧接触点水平朝上放置,启动激光器,依次对另一侧的接触点进行激光微连接。其针对微小尺寸的人体血管支架,通过飞秒激光微连接技术将 Ni Ti 形状记忆合金丝加工成镂空支架的技术。在飞秒超快激光下,材料的连接通过原子共振产热的形式进行原子间的连接,没有熔化金属,接头表面均匀光滑,成型良好。

2.2 激光微焊接技术在电子器件焊接中的技术发展

1977 年 JPS5454937A 提出了一种激光微焊接方法,其通过在两个部分的激光束焊接中,可以将激光束沿深度方向引导或转移到另一个方向,以获得更好的焊接效果。由于光束直径大,激光焊接工艺对于焊接微零件非常有效。随着接头处的焊接熔深的增加,焊接强度也增加,从而防止了在后期热处理过程中出现烘烤裂纹。此外,当基础材料是纯铁和高碳铁时,纯铁比高碳铁熔化的更多,因此碳被充分稀释,这提供了更好的附着力,因此提高了质量。2007 年专利申请 CN101053995A 提出了一种热塑性塑料的微焊接方法,根据焊接轮廓线的形状调整激光二极管阵列的位置,使激光二极管阵列产生的激光束与焊接轮廓线形状完全相同,激光源发出的光束经分光系统分为等强度的多束光,激光波长为 800nm~1064nm,然后每束光经光纤传输到激光二极管阵列,经激光二极管阵列垂直照射全部的焊接线,对整个焊接轮廓线同时加热,从而把两个重叠的热塑性塑料制品焊接在一起。这种焊接方式加工时间短、激光束与待焊接零件之间不需要做任何相对移动、热变形量小、适合大批量生产,克服了扫描焊接中焊接线的热变形量不均匀性。2008 年专利申请 CN201002157Y 提出了一种用于电子封装微钎焊的基于振镜扫描的选择性激光微钎焊系统,其通过在两路激光光路中分别设置一个反馈式扫描振镜,经过两个反馈式扫描振镜的激光通过同一个 F-θ 镜聚焦在工件表面,从而实现了大面积微点的瞬时焊接。

2.3 激光微焊接技术在提高接头焊接性能上的改进分析

2008 年江苏大学的专利申请 CN101239418A 提出了一种飞片驱动式激光微焊接方法及装置,其适用于同种和异种金属材料间的快速焊接,利用计算机精确控制的单脉冲激光作用于飞片正面,产生爆炸等离子体,等离子体驱动飞片高速运动的同时带动贴紧在飞片背面的工件一起高速运动,飞行一段距离后工件与基体碰撞,在碰撞界面产生高温高压,实现工件与基体之间的焊接。该专利将激光诱发应力波和飞片技术融入微焊接工艺,确保微焊接后工件的表面质量,能够对塑性相同或不同的材料进行焊接,也适用于不同材料间的微焊接,解决了常规微焊接方法容易损伤工件的问题,也实现了微器件焊接的低成本和高效率,工艺简单,一致性好,适于自动化生产。2016 年大族激光科技产业集团股份有限公司的专利申请 CN106735894A 提出了一种金属微焊接方法,将纳秒级激光器或微秒激光器搭配高速扫描振镜头,高速扫描振镜头控制激光对铝合金板与不锈钢板进行扫描焊接,使铝合金板与不锈钢之间形成焊点,焊点根部呈“齿”状嵌入铝合金板内;其中,所述高速扫描振镜头采用螺旋渐进高速扫描方式:用螺旋的方式绕中心点扫描一圈形成焊点,焊点根部呈“齿”状嵌入铝合金板内。利用纳秒级激光器或微秒激光器脉冲宽度极短,能量较低的优势,同时采用高速扫描方式,以精确控制热输入来减小铝合金板与不锈钢板之间(Fe,Al)金属间化合物的生成,避免焊缝产生微裂纹。同时焊点根部呈“齿”状嵌入铝合金板内,(Fe,Al)金属间化合物沿着“齿”根间断分布,尺寸也变小,裂纹较传统焊接方式明显减少,焊接强度明显提高。同时,为了提高镍钛合金的焊接质量,宝鸡文理学院的专利申请 CN109570762A 提出了一种镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法,在镍钛形状记忆合金与不锈钢间加入两层中间层焊料,并通过两次焊接完成,所述的两层中间层焊料为 V 金属层与 Nb 金属层,其中不锈钢与 V 金属层结合界面为界面 1,V 金属层与 Nb 金属层结合界面为界面2,Nb 金属层与镍钛形状记忆合金结合界面为界面 3,第一次焊接时,焊接热源焦点位于不锈钢上,第二次焊接时,焊接热源焦点位于 V 金属层上,其产生的热量经过 Nb 金属层传导到界面 3 时,高于 Nb 金属层与镍钛形状记忆合金的共晶反应温度,且靠近界面 3 附近有未熔化 Nb 金属层,并且经热传导到界面 3 的温度高于 Nb/NiTi 共晶温度;最终在界面 1 和界面 2 处形成熔化焊焊缝,而在界面 3 处形成接触反应钎焊焊缝。

3.结语

从国内外申请总量的逐年变化趋势可以看出,虽然国内在激光微焊接技术方面的起步较晚,但国内近几年的申请总量较国外申请更高,并且申请量排名前十的申请人中,基本上都是专门从事激光加工方面的公司、科研院所,个人申请极少。国外申请中申请量排名前十的申请人中多为日本公司和美国公司。此外,通过激光微焊接技术重要技术分支的技术发展的分析可见,随着激光微焊接技术逐步发展成熟,专利申请的聚焦点多在如何提高微焊接接头性能,如采用控制激光输出能量、激光扫描轨迹、添加中间层,技术改进的趋势愈加明显。

作者:李远远 颜敏 单位:国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心