Distortion Prediction, Control and Postweld-Hammering in Precision Laser Welding of Fiber-Optics Components---Experiment and Simulation

雷射銲接是一種利用高功率密度光束進行銲接之加工製程，其相對於傳統銲接製程，有著變形量小、高熔深、銲接時間短、可銲接極小零件…等優點，故常被須兼顧高精度與大量生產之產業所採用（尤其是光電產業）。然而，雖然雷射銲接之銲接變形相對小於傳統銲接製程，但對於光電產業而言，光纖模組組裝精密度要求甚為嚴格，若因為雷射銲接變形而造成組裝誤差，將嚴重影響產品量率，大幅增加生產成本。本研究主題包含四大部份：1.變形因素分析：研究各種可能造成雷射銲接變形因素之原因與影響程度；2. 銲接變形控制：針對各種變形因素，提出適切之製程線上解決方法，進行相關實驗驗證；3. 雷射鎚銲修正：針對已有銲接變形不良品，藉由雷射鎚銲法修正其各軸向之銲後位移，使其符合良品要求； 4.有限元素模擬：藉由有限元素法電腦模擬輔助，進行相關主題之研究，包括：變形影響因素模擬/評估、線上銲接變形控制程序與結果模擬/評估、銲後鎚銲修正程序與結果模擬/評估、線上銲接變形控制與與雷射鎚銲之參數最佳化等。本研究針對雷射銲接變形之影響因素、預測、控制、修正與模擬進行完整研究，而主要對像為光通訊元件之蝶式雷射模組。由於雷射銲接實際變形量與模擬結果常呈現顯著且不穩定之誤差，因此將著重研究雷射銲接變形之製程不確定因素，包括：銲點位置偏移、熔池外型與熔深變化、工件與銲接殘留應力、工件材料高溫機械性質、工件結構設計與夾持方式、銲接接頭設計與組裝精度、銲接能量與順序….等。除徹底瞭解各製程不確定因素對銲接變形影響原因與程度外，並將分別提出相對應之製程線上解決方法，且在驗證該解決方法之有效性與模擬模型之準確性後，將相關解決方法應用於蝶式雷射模組，並藉由電腦模擬與實驗進行參數最佳化，其銲接變形控制效果必須符合產品之標準要求。此外，同時發展一套銲後位移修正方法－雷射鎚銲法，可針對已存在相當程度銲接變形之不良品進行修正，使其符合良品要求。此方法是以雷射加熱工件上之特定位置，使其因局部受熱、溫度場分佈不均而導致應力場不對稱，進而使工件產生變形，以修正在不同方向之銲後位移，此雷射鎚銲部份亦將藉由電腦模擬進行效果評估與參數最佳化。此雷射鎚銲方法經過前期之相關研究與實驗後，已經證實其可行性與有效性。第一年計畫（96.8－97.7）：計畫目標： 1.變形因素分析：研究各種可能造成雷射銲接變形因素之原因與影響程度。2. 銲接變形控制：依據變形因素分析結果，進行初步之製程線上解決構想並進行驗證。3.雷射鎚銲修正：利用鎚銲以降低蝶式雷射模組各軸向銲後位移之修正方法建立與參數最佳化。4.雷射銲接溫度場/應力場之電腦模型建立與驗證。工作項目：文獻資料蒐集整理、模擬各種實際製程控制不確定因素模擬實驗之建立、模擬實驗之雷射銲接溫度場/應力場模型建立與驗證、蝶式雷射模組試片製作、蝶式雷射模組銲後位移量測方法建立、蝶式雷射模組之銲接溫度場/應力場模型建立與驗證、電腦模擬輔助雷射鎚銲之參數最佳化。第二年計畫（97.8－98.7）：計畫目標： 1.變形因素控制：針對影響銲接變形之不確定因素進行控制，確保銲接品質與變形結果的可靠度。2. 有限元素模擬：進行銲接參數與程序之最佳化模擬。3.銲接變形控制：經由實驗驗證有限元素模擬結果，並達成控制光纖模組各軸向銲接變形低於後續鎚銲修正之最大範圍。4. 雷射鎚銲修正：達成光纖模組各軸向位移之最小化，耦光效率高於95%以上。工作項目：文獻資料蒐集整理、各種銲接製程控制不良項目模擬實驗之試片製作、各種模擬實驗之銲接變形量測方法建立、各種控制不良項目之解決方法建立、各種解決方法模擬實驗之銲接溫度場/應力場模型建立與驗證、電腦模擬輔助各種解決方法之參數最佳化。

Project ID:PB9607-1682
External Project ID:NSC96-2221-E182-027