基于混合激光系統的自動化激光微焊接技術及應用

董良新

（煙臺汽車工程職業學院，山東 煙臺265500）

1 問題描述

YAG激光器通過光纖可以傳輸高質量的激光束，具備低成本和高可靠性等優點，廣泛運用于制造行業，如各種激光加工、焊接、切割、鉆孔、退火、劃線等。在加工時，YAG激光器吸收連續的固態激光波，能夠提高效率和延長脈沖源的壽命。相比其他的激光器，YAG激光器能量具有光束質量高、轉換效率高（低能量消耗）、壽命長等特點，能量消耗小，使用壽命長10～20倍。但是YAG激光器有一個缺點，即脈沖操作是有限的，因為在振蕩中往往會發生非線性現象。目前許多用于鋁合金微焊接的脈沖YAG激光發射器仍然是弧光燈，弧光燈泵浦激光器對于總能量輸入的處理效率非常低，電光轉換效率約是3%，而鋁合金對激光束的吸收率（波長1 064 nm）約為5%。因此，通過改善激光發射源獲得高峰值的激光束和足夠穿透深度的做法是非常有必要的。隨著半導體技術的快速發展，LD技術同樣在激光焊接中得到運用。但是LD泵浦激光器的脈沖操作存在縮短其壽命的風險，并且帶來初始成本和運行成本增加的問題。在此研究了如何將這些能源有效地利用，以及提高焊接質量和降低成本。

在此研究了一種適用于鋁合金焊接的新型混合激光器。使用二極管激光和YAG激光混合動力的系統脈沖，提高高脈沖下的循環轉換效率，解決了上述問題。YAG激光器和激光二極管連續分別發射1 064 nm和808 nm的脈沖激光疊加，并通過單一的光纖傳送，從而使鋁合金能夠吸收更多的激光能量。使用該激光器進行了鋁合金焊接試驗，計算分析鋁合金的吸收率、溫度隨時間的變化規律，并對新研制系統的混合性能進行評估。

2 混合型激光系統

2.1 發展背景

由于鋁合金是高反射率和高導熱性的材料，采用YAG激光高速脈沖難以精確和穩定地完成鋁合金的焊接。為了提高焊接質量，研究了混合激光系統，其中鋰離子電池中的混合型激光微焊接處理是眾多運用例子的一種，獲得的鋰離子電池焊縫質量好，可以減少對自熱環境的污染。

2.2 二極管激光器

為了獲得高峰值激光脈沖，開發了可以發射振蕩脈沖的二極管激光器。這種二極管激光器在一般情況下的電—光轉換效率是18%～26%，如圖1所示，而使用弧光燈泵浦YAG激光器電—光轉換效率是2%～3%。二極管激光器壽命如圖2所示，其壽命能夠達到20 000 h。

2.3 連續疊加的二極管光束和脈沖YAG激光器

金屬材料對較小波長的光吸收率如圖3所示，其中鋁吸收率最高值的光波長為800～850 nm。通過分析，分別使用波長為808 nm的連續二極管脈沖和波長為1 064 nm的混合脈沖，照射到相同的處理點。由圖3可知，二極管激光器的吸收率（約15%）是YAG激光器吸收率（約5%）的3倍。受激光脈沖發射的頻率限制，隨著快速加熱和冷卻循環，在焊縫熔合區易出現氣孔、裂紋等缺陷。但使用連續LD激光照射能夠對焊縫進行預熱、焊后緩冷，達到減少焊接缺陷的目的。還可以提高焊接效率和焊接質量（焊道寬度、熔深、表面美觀度）。

圖1 電輸出功率變換效率

圖2 某種條件下的壽命測試

圖3 鋁和其他金屬的吸收率

2.4 試驗步驟

試驗裝置示意如圖4所示。使用的Nd：YAG激光器和連續LD參數如表1所示。Nd：YAG激光束和連續LD束脈沖疊加在相同的光軸上，兩種波長的激光束經光纖加工頭后重疊。試驗試件材料選用A3003鋁合金，將規格為φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管型板材嵌合并壓入φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管狀板材內部。

圖4 試驗裝置示意

表1 YAG激光器和連續LD脈沖規格參數

3 實驗結果和討論

3.1 連續LD激光的影響

試驗結果是在有限元程序熱分析基礎上得到的，一般的有限元程序ANSYS可以在不穩定狀態下進行數值分析。獲得的焊縫寬度和焊縫斷面熔深如圖5所示。雖然使用的二極管的激光功率只有脈沖Nd：YAG激光器的1.2%，但是焊道寬度還是增加了14%，熔深增加了141%。由圖6可知，在Nd：YAG激光器照射下，試件表面溫度約為200 K，而在其與連續LD疊加的情況下，試樣表面的溫度保持在約500 K，使工件表面溫度更容易上升到母材的熔點900 K。由此可知，由于LD激光的疊加，在高溫下YAG激光能夠被鋁合金有效吸收。

3.2 鋁電池殼焊接

通過改變連續LD激光輸出功率，進行了鋁合金電池殼對接焊試驗。圖7、圖8分別為在功率處理速度20 mm/s和35 mm/s連續LD激光照射情況下，焊縫寬度和熔深的變化情況。對比可知，焊縫寬度和熔深隨著連續LD激光輸出功率的提高而大大增加。在另一方面，在傳統的弧光燈泵浦YAG激光器的系統中，其處理速度只有15～20 mm/s。該系統可以實現30～40 mm/s的處理速度，這是弧光燈泵浦YAG激光器速度的兩倍。

圖5 焊縫結果對比

4 結論

混合動力系統激光器能夠疊加兩個激光束，將其傳送至一個激光頭上；母材表面在疊加的激光束下，焊接過程中可以保持在較高的溫度，其對光的吸收率較高；相比傳統的弧光燈泵浦YAG激光器，使用混合動力系統的激光器，獲得的焊縫寬度和熔深分別增加14%和141%；該混合系統即使在較高的脈沖條件下重復操作，也能夠高效率、高質量的完成鋁的焊接。

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圖6 試件表面溫度對比

圖7 焊縫寬度隨LD功率的變化

圖8 焊縫熔深隨LD功率的變化

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