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摘要：激光微焊接技術(shù)在近年來的發(fā)展炙手可熱，被廣泛應(yīng)用在一些高精密器材的焊接上，是國內(nèi)外院校和企業(yè)的研究熱點(diǎn)。為了研究激光微焊接專利技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展情況，筆者對(duì)激光微焊接領(lǐng)域的全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和統(tǒng)計(jì)分析，中文數(shù)據(jù)庫選擇中國專利摘要數(shù)據(jù)庫（CNABS），外文數(shù)據(jù)庫選擇德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫（SIPOABS），從而獲得進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的專利樣本，檢索時(shí)間截止到 2020 年 8 月 10 日。本文對(duì)激光點(diǎn)焊微連接技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，從國內(nèi)外專利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的分布等多方面統(tǒng)計(jì)分析，闡述了激光點(diǎn)焊微連接技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)，追蹤了激光點(diǎn)焊微連接技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，對(duì)其技術(shù)方向和技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。

1.激光微焊接技術(shù)專利全球申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

激光微焊接的專利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代，相距 1960 年第一束激光被人類科學(xué)家獲得、世界上第一臺(tái)激光器誕生，只有十余年的時(shí)間，這說明自激光器產(chǎn)生以來，其應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展是很快的，雖然當(dāng)時(shí)的申請(qǐng)量極少。在 2000 年之前，激光微焊接方面的國外專利申請(qǐng)量一直處于低速發(fā)展階段，每年的申請(qǐng)總量基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，增量極少。2000 年之后，國外的申請(qǐng)總量保持穩(wěn)步增長，進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段。由于我國的《專利法》實(shí)施時(shí)間較晚，在《專利法》實(shí)施之后，國內(nèi)相繼出現(xiàn)了激光微焊接方面的專利申請(qǐng)，并且在 2008 年之后，國內(nèi)在激光微焊接領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量大幅增長，申請(qǐng)量遠(yuǎn)超國外在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量，激光微焊接技術(shù)在國內(nèi)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。（1）萌芽期（1987 年之前）在 1977 年，專利 JPS5454937A 便公開了一種激光微焊接技術(shù)，在 1987 年之前，該技術(shù)發(fā)展處于萌芽期，總體申請(qǐng)量較少。（2）低速增長期（1988~1995 年）由圖 1 中可以看出，在 1988~1995 年之間，關(guān)于激光微焊接的專利申請(qǐng)量一直處于低速發(fā)展階段，申請(qǐng)總量保持平穩(wěn)。（3）平穩(wěn)增長期（1996 年之后）由圖 1 中可以看出，在 1996 年之后，關(guān)于激光微焊接的專利申請(qǐng)量處于平穩(wěn)增長期，申請(qǐng)總量保持平穩(wěn)。激光微焊接領(lǐng)域的申請(qǐng)國較為集中，主要集中在中國、美國、歐洲、日本、德國，其他國家所占申請(qǐng)量比例極小。申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人分別為：江蘇大學(xué)、大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)、SCIMED LIFE、SYSTEMS INC、電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘇州潤昇精密機(jī)械有限公司等，中國近年來的申請(qǐng)人相對(duì)于國外的較多，在排名前 10的申請(qǐng)人多數(shù)為中國申請(qǐng)人。

2.激光微焊接領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)發(fā)展路線

在檢索分析過程中發(fā)現(xiàn)專利庫中有關(guān)激光微焊接的申請(qǐng)主要集中在醫(yī)療器件和電子器件兩個(gè)領(lǐng)域，而醫(yī)療器件又集中在鈦鎳形狀記憶合金和不銹鋼材料的微焊接，因此，下面就加工對(duì)象中的醫(yī)療器件和電子器件兩方面的激光微焊接進(jìn)行技術(shù)發(fā)展路線的分析。

2.1 激光微焊接技術(shù)在醫(yī)療器件焊接中的技術(shù)發(fā)展

1996 年 DE19634245A1 提及了采用激光微焊接的方式焊接醫(yī)療用血管支架，血管支架具有圓柱形管狀形狀，并且在保持固定在適當(dāng)位置時(shí)，通過塑性變形擴(kuò)展到其功能直徑，并被送入血管腔中。支架的主體包括彼此相鄰并平行定位的多個(gè)圓形線帶，通過在不同位置進(jìn)行激光微焊接形成激光焊接點(diǎn)將條帶連接在一起。當(dāng)向主體施加徑向力時(shí)，支架會(huì)變形以產(chǎn)生在焊接點(diǎn)處接合的格子狀結(jié)構(gòu)。1998 年專利文獻(xiàn) US6036725A 提及了另外一種采用激光微焊接制造血管支架的方法，焊接的支架（10）包括曲折線（12），其端部（32，34）被焊接（36）在一起以形成管狀形狀（14）。等距分布的矩形薄板（16）沿支架周向放置，并在 2 個(gè)位置（38，40）焊接到金屬絲上。當(dāng)支架擴(kuò)張以在它們之間留下間隙（22）時(shí)，這些板沿徑向運(yùn)動(dòng)，這些板具有抗凝結(jié)涂層。針對(duì)網(wǎng)狀鏤空結(jié)構(gòu)的支架，在國內(nèi)外均嘗試使用激光進(jìn)行切割或雕刻以形成網(wǎng)狀鏤空結(jié)構(gòu)，但使用該方法制備出的支架脆性大、柔韌性差，且由于成本和管材制備技術(shù)的限制，難以制造更細(xì)或者更復(fù)雜的支架。針對(duì)該問題，太原理工大學(xué)的專利申請(qǐng) CN108213704A 通過在圓柱形模具上固定NiTi 形狀記憶合金絲；然后將裝配有 NiTi 形狀記憶合金絲的圓柱形模具固定在激光器的工作平臺(tái)上，將接觸點(diǎn)的一側(cè)水平朝上放置，惰性氣體保護(hù)下啟動(dòng)激光器，依次對(duì)一側(cè)的接觸點(diǎn)進(jìn)行激光微連接，然后調(diào)整圓柱形模具的方向，將未進(jìn)行激光微連接的另一側(cè)接觸點(diǎn)水平朝上放置，啟動(dòng)激光器，依次對(duì)另一側(cè)的接觸點(diǎn)進(jìn)行激光微連接。其針對(duì)微小尺寸的人體血管支架，通過飛秒激光微連接技術(shù)將 Ni Ti 形狀記憶合金絲加工成鏤空支架的技術(shù)。在飛秒超快激光下，材料的連接通過原子共振產(chǎn)熱的形式進(jìn)行原子間的連接，沒有熔化金屬，接頭表面均勻光滑，成型良好。

2.2 激光微焊接技術(shù)在電子器件焊接中的技術(shù)發(fā)展

1977 年 JPS5454937A 提出了一種激光微焊接方法，其通過在兩個(gè)部分的激光束焊接中，可以將激光束沿深度方向引導(dǎo)或轉(zhuǎn)移到另一個(gè)方向，以獲得更好的焊接效果。由于光束直徑大，激光焊接工藝對(duì)于焊接微零件非常有效。隨著接頭處的焊接熔深的增加，焊接強(qiáng)度也增加，從而防止了在后期熱處理過程中出現(xiàn)烘烤裂紋。此外，當(dāng)基礎(chǔ)材料是純鐵和高碳鐵時(shí)，純鐵比高碳鐵熔化的更多，因此碳被充分稀釋，這提供了更好的附著力，因此提高了質(zhì)量。2007 年專利申請(qǐng) CN101053995A 提出了一種熱塑性塑料的微焊接方法，根據(jù)焊接輪廓線的形狀調(diào)整激光二極管陣列的位置，使激光二極管陣列產(chǎn)生的激光束與焊接輪廓線形狀完全相同，激光源發(fā)出的光束經(jīng)分光系統(tǒng)分為等強(qiáng)度的多束光，激光波長為 800nm~1064nm，然后每束光經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す舛O管陣列，經(jīng)激光二極管陣列垂直照射全部的焊接線，對(duì)整個(gè)焊接輪廓線同時(shí)加熱，從而把兩個(gè)重疊的熱塑性塑料制品焊接在一起。這種焊接方式加工時(shí)間短、激光束與待焊接零件之間不需要做任何相對(duì)移動(dòng)、熱變形量小、適合大批量生產(chǎn)，克服了掃描焊接中焊接線的熱變形量不均勻性。2008 年專利申請(qǐng) CN201002157Y 提出了一種用于電子封裝微釬焊的基于振鏡掃描的選擇性激光微釬焊系統(tǒng)，其通過在兩路激光光路中分別設(shè)置一個(gè)反饋式掃描振鏡，經(jīng)過兩個(gè)反饋式掃描振鏡的激光通過同一個(gè) F-θ 鏡聚焦在工件表面，從而實(shí)現(xiàn)了大面積微點(diǎn)的瞬時(shí)焊接。

2.3 激光微焊接技術(shù)在提高接頭焊接性能上的改進(jìn)分析

2008 年江蘇大學(xué)的專利申請(qǐng) CN101239418A 提出了一種飛片驅(qū)動(dòng)式激光微焊接方法及裝置，其適用于同種和異種金屬材料間的快速焊接，利用計(jì)算機(jī)精確控制的單脈沖激光作用于飛片正面，產(chǎn)生爆炸等離子體，等離子體驅(qū)動(dòng)飛片高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)貼緊在飛片背面的工件一起高速運(yùn)動(dòng)，飛行一段距離后工件與基體碰撞，在碰撞界面產(chǎn)生高溫高壓，實(shí)現(xiàn)工件與基體之間的焊接。該專利將激光誘發(fā)應(yīng)力波和飛片技術(shù)融入微焊接工藝，確保微焊接后工件的表面質(zhì)量，能夠?qū)λ苄韵嗤虿煌牟牧线M(jìn)行焊接，也適用于不同材料間的微焊接，解決了常規(guī)微焊接方法容易損傷工件的問題，也實(shí)現(xiàn)了微器件焊接的低成本和高效率，工藝簡單，一致性好，適于自動(dòng)化生產(chǎn)。2016 年大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司的專利申請(qǐng) CN106735894A 提出了一種金屬微焊接方法，將納秒級(jí)激光器或微秒激光器搭配高速掃描振鏡頭，高速掃描振鏡頭控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接，使鋁合金板與不銹鋼之間形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入鋁合金板內(nèi)；其中，所述高速掃描振鏡頭采用螺旋漸進(jìn)高速掃描方式：用螺旋的方式繞中心點(diǎn)掃描一圈形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入鋁合金板內(nèi)。利用納秒級(jí)激光器或微秒激光器脈沖寬度極短，能量較低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用高速掃描方式，以精確控制熱輸入來減小鋁合金板與不銹鋼板之間（Fe，Al）金屬間化合物的生成，避免焊縫產(chǎn)生微裂紋。同時(shí)焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入鋁合金板內(nèi)，（Fe，Al）金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小，裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。同時(shí)，為了提高鎳鈦合金的焊接質(zhì)量，寶雞文理學(xué)院的專利申請(qǐng) CN109570762A 提出了一種鎳鈦形狀記憶合金與不銹鋼異質(zhì)接頭連接方法，在鎳鈦形狀記憶合金與不銹鋼間加入兩層中間層焊料，并通過兩次焊接完成，所述的兩層中間層焊料為 V 金屬層與 Nb 金屬層，其中不銹鋼與 V 金屬層結(jié)合界面為界面 1，V 金屬層與 Nb 金屬層結(jié)合界面為界面2，Nb 金屬層與鎳鈦形狀記憶合金結(jié)合界面為界面 3，第一次焊接時(shí)，焊接熱源焦點(diǎn)位于不銹鋼上，第二次焊接時(shí)，焊接熱源焦點(diǎn)位于 V 金屬層上，其產(chǎn)生的熱量經(jīng)過 Nb 金屬層傳導(dǎo)到界面 3 時(shí)，高于 Nb 金屬層與鎳鈦形狀記憶合金的共晶反應(yīng)溫度，且靠近界面 3 附近有未熔化 Nb 金屬層，并且經(jīng)熱傳導(dǎo)到界面 3 的溫度高于 Nb/NiTi 共晶溫度；最終在界面 1 和界面 2 處形成熔化焊焊縫，而在界面 3 處形成接觸反應(yīng)釬焊焊縫。

3.結(jié)語

從國內(nèi)外申請(qǐng)總量的逐年變化趨勢(shì)可以看出，雖然國內(nèi)在激光微焊接技術(shù)方面的起步較晚，但國內(nèi)近幾年的申請(qǐng)總量較國外申請(qǐng)更高，并且申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人中，基本上都是專門從事激光加工方面的公司、科研院所，個(gè)人申請(qǐng)極少。國外申請(qǐng)中申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人中多為日本公司和美國公司。此外，通過激光微焊接技術(shù)重要技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展的分析可見，隨著激光微焊接技術(shù)逐步發(fā)展成熟，專利申請(qǐng)的聚焦點(diǎn)多在如何提高微焊接接頭性能，如采用控制激光輸出能量、激光掃描軌跡、添加中間層，技術(shù)改進(jìn)的趨勢(shì)愈加明顯。

作者：李遠(yuǎn)遠(yuǎn) 顏敏 單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心