綠光-紅外混合激光焊接銅

許為柏

（鹽城技師學院，江蘇 鹽城 224002）

0 前言

激光焊接是利用激光束的高能量密度對材料進行加熱，使材料熔化形成熔池，然后冷卻形成連接焊縫，具有熱影響范圍窄、非接觸加工、生產效率高、加工精度高等特點[1-2]。生產應用前景廣闊，在某些領域逐漸取代了傳統的焊接方式。特別是在超精密焊接方面，由于激光的聚焦范圍很小，焊接寬度可以達到0.2 mm以下，在3C行業等精細加工領域取代了傳統電阻焊、氬弧焊等焊接方式，成為不可替代的一種焊接方式[3-4]。

銅對激光的吸收率很低（高反材料），對焊接工藝參量非常敏感，激光焊接紫銅的難度很大。金屬銅會隨著自身溫度的升高而增加對激光的吸收率，直到達到材料的熔化狀態——材料對激光的吸收率最高[5-6]。激光與銅材料相互作用大致可以分為三個階段：第一階段，材料對激光的吸收率較低，為加熱階段；第二階段，隨著材料的溫度升高，對激光的吸收率升高，為材料的熔化階段；第三階段，材料的溫度繼續升高，對激光的吸收率繼續升高，達到熔池的建立及擴展效果，這一階段直接影響著焊縫的寬度及深度，即影響焊接的強度。為了焊接銅，一般需要施加很高的峰值功率，而在第三階段激光能量很可能遠遠超過焊接的需要，導致低熔點合金元素的蒸發及焊接過程中熔池飛濺，焊縫內部留下形成孔洞或者焊縫表面形成缺陷，影響焊接頭質量及焊接強度[7]。

在此通過優化工藝參量及使用綠光-紅外激光光源對銅進行焊接試驗，比較分析綠光-紅外光源與紅外光源焊接銅的效果。

1 實驗設備

1.1 激光器

實驗采用自己設計的綠光-紅外混合光源激光焊機（見圖1）。采用光纖輸出，光纖芯徑為100 μm、200 μm、400 μm可選。綠光532 nm波長與1 064 nm波長同時通過光纖耦合輸出。具體技術參數如表1所示，平均功率為150 W，最大峰值功率1 500 W，綠光約占總能量的10%。總激光輸出能量穩定在3%以內。

圖1 150W綠光-紅外混合激光焊接機

表1 激光器的技術指標

1.2 綠光-紅外混合光源結構

綠光-紅外混合光源的內部結構如圖2所示，圖中1為全反鏡片，鍍有1 060 nm全反膜；2為半反鏡片，鍍有1 064 nm半透膜，前端鍍有532 nm增反射膜，鏡片1和鏡片2組成諧振腔，光電泵浦源（氙燈）通電后產生光激發激活物質產生激光，在諧振腔內部放大，從鏡片2輸出1 064 nm激光。鏡片3為聚焦鏡（焦距為50～100 mm），將1 064 nm的激光聚焦到非線性晶體上，部分1 064 nm的激光經過非線性晶體后產生532 nm的綠激光，其余部分仍然為1 064 nm的紅外激光。鏡片4為聚焦耦合鏡片，將1 064 nm的紅外激光與532 nm的綠激光聚焦耦合到輸出光纖中。該結構簡單實用，無需復雜的光學設計及機械加工件。可以得到穩定的綠光-紅外激光混合光源。

1.3 焊接運動工作臺

工作臺可以在x、y、z方向移動，并且實現xyz三軸聯動，帶動激光聚焦頭運動，完成對焊接圖形的焊接。焦光斑主要由光纖芯徑的大小及聚焦頭的準直鏡焦距及聚焦鏡焦距決定，本研究為了得到較小的焊接光斑，光纖芯徑為200μm，準直鏡焦距100mm，聚焦鏡焦距為100 mm，理論聚焦光斑為200 μm。焊接運動工作臺實例如圖3所示，各項指標如表2所示。

圖2 綠光-紅外混合激光的光路示意

圖3 激光焊接運動工作臺

表2 工作臺技術指標

2 實驗結果與分析

2.1 實驗材料

本研究采用厚度為0.2 mm的純銅進行疊焊，采用自制夾具將其夾緊，使得上下兩層之間的縫隙盡量小。焊接一條直線，比較研究綠光-紅外混合光源激光以及單純紅外激光對銅的焊接效果。

2.2 焊接工藝參量優化設計

檢驗焊接效果的標準為兩層0.2 mm的銅穿透焊接，其中第二層材料的背面有明顯的焊接痕跡（焊透），焊縫表面無明顯缺陷。影響激光焊接效果的最重要參量為峰值功率大小、脈沖寬度及離焦量（激光焦點與工件表面的距離），影響銅及銅合金焊接的工藝參量還有波形設置。為減少試驗次數，本研究借鑒前期的試驗經驗采用緩升緩降的波形設置，如圖4所示。

以峰值功率大小、脈沖寬度及離焦量三個參量設計正交試驗，如表3所示，得到最佳的工藝參量。由表3可知，當離焦量為3 mm（激光焦點與工件表面的距離為3 mm）時，均可以焊透材料，但是均有缺陷，這可能是離焦量小，作用在材料表面的激光峰值功率密度過高，導致銅材料內部的部分低熔點材料氣化，在焊接過程中產生飛濺，從而在焊縫表面留下缺陷。要得到焊透的效果，激光的峰值功率需要1 600 W以上，且脈沖寬度要在3 ms以上，這是因為脈沖寬度即是一個脈沖激光作用在材料表面的時間，當激光作用時間較短，材料內部沒有建立足夠大的熔池，焊縫的寬度及深度較小。綜合考慮焊縫的缺陷情況及焊透情況，試驗編號8為最佳焊接效果，因此最佳的工藝參量為：峰值功率1 600 W，脈沖寬度3 ms，離焦量6 mm。

圖4 脈沖波形設計

表3 正交試驗結果及分析

2.3 焊縫外觀對比分析

為了進一步對比分析紅外激光器與綠光-紅外激光器對銅焊接效果的影響，首先采用上文得到的最佳工藝參量進行外觀分析，結果發現采用綠光-紅外混合光源激光對銅進行焊接得到的焊縫外觀，焊點大小一致性好，深淺一致，外觀光滑，無孔洞等缺陷，如圖5a所示。采用綠光濾光鏡（透過1 064 nm激光，反射532 nm綠激光）將波長為532 nm的綠激光濾掉，僅保留波長為1 064 nm的紅外激光，為了對比分析的可比性，將峰值功率增加10%（綠激光約占總激光功率的10%），使得紅外激光與綠光-紅外激光作用在材料上的總能量接近一致，其他參量均一致。紅外激光的焊縫外觀如圖5b所示，焊點大小不一，深淺不一，某些焊點出現擊穿現象。

圖5 焊縫外觀

2.4 焊縫熔池

將焊接樣品沿著焊縫中心切開，然后打磨、拋光、腐蝕，觀察焊縫內部結構。采用綠光-紅外混合激光焊接，焊縫內部結構一致，無明顯氣孔等缺陷，如圖6a所示。采用波長為1 064 nm的紅外激光對銅進行焊接，焊縫內部有氣孔等缺陷，如圖6b所示，這可能是因為在熔池內部形成的小孔效應，內部的元素無法溢出熔池，殘留在焊縫內部形成氣孔缺陷[7]。

3 結論

（1）開發設計了一種新型綠光-紅外混合激光器，光學結構簡單，能量穩定，質量可靠。

（2）采用綠光-紅外混合激光對銅進行焊接試驗，通過優化工藝參量得到外觀無缺陷及焊透的效果，最佳工藝參量為峰值功率1 600 W，脈沖寬度3 ms，離焦量6 mm，其中綠光約占總激光能量的10%。

（3）通過綠光-紅外混合激光與紅外激光對銅焊接效果的對比分析，結果表明，綠光-紅外混合激光焊接過程更加穩定，焊縫內部無氣孔等缺陷，焊接效果更好。

圖6 焊接熔池

（4）通過對綠光-紅外混合激光和紅外激光對銅的激光焊縫形貌及缺陷的分析，拓展了激光焊接高反射率金屬材料的研究方向，具有較好的借鑒意義。

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