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激光焊接銅的挑戰(zhàn)與材料的兩個主要物理性質(zhì)有關：對大多數(shù)高功率工業(yè)激光的低吸收率以及工藝過程中的高導熱性。銅的吸收率隨著波長的減小而增加，這意味著可見波段的激光器(例如，波長為532nm的綠光激光器)用于銅焊接將產(chǎn)生顯著的優(yōu)勢，但是對大多數(shù)焊接應用所需的功率范圍這些激光器尚不可用或尚未得到工業(yè)驗證。
圖1：通過高速的光束擺動工藝實現(xiàn)無缺陷的銅焊接
紅外激光器在處理固體材料時會產(chǎn)生吸收性問題。如果材料通過深熔焊發(fā)生了熔化甚至蒸發(fā)，其吸收率則會顯著增加。固體銅的吸收率小于4%，而銅蒸汽(匙孔深熔焊)的吸收率則高于60%(參見下表)。該吸收問題可以通過非常高的功率密度來克服，這大大加快了銅的熔化和蒸發(fā)速度，并因此增加其吸收性。
通過高速視頻評估顯示，穩(wěn)定的工藝可在不到1ms的時間內(nèi)建立。對于連續(xù)波(cw)焊接操作而言，這個障礙必須在焊接開始時就予以克服。匙孔焊接工藝建立后，便會提供恒定的高吸收率。而對于脈沖操作則必須在每個脈沖開始時將其克服。
焊接所需的高功率密度可以通過使用單模光纖激光器獲得。與其他固體激光器相比，這類激光器具有優(yōu)異的光束質(zhì)量和聚焦性能。IPG公司能夠提供高達10 kW的高功率單模激光器，以及功率超過10 kW的高亮度多模激光器，產(chǎn)品均具有堅固的、已被工業(yè)驗證的設計。
使用這些單模光纖激光器和低階模高亮度激光器，可以達到高于108W/cm2的功率密度，甚至在幾百瓦的功率下也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的耦合。與功率相當?shù)钠胀ǘ嗄＜す馄飨啾?，這些激光器的強度高達五十倍。IPG提供 YLR系列的單模光纖激光器，其功率從100W至1000W不等，并配有19”的緊湊型機架；此外公司還提供功率高達10 kW的YLS系列光纖激光器(圖2)。 這兩個系列的整體效率都達到40%。
圖2：高功率單模光纖激光器：風冷機架式Y(jié)LR-1000-SM(左)以及3kW 系統(tǒng)型YLS-3000-SM(右)。
銅焊接工藝的另一個問題是低速焊接時的不穩(wěn)定性。通常，小于5m/min的焊接速度會面臨焊接不穩(wěn)定的問題，例如飛濺、氣孔和不規(guī)則焊縫表面。隨著焊接速度的加快，這種不穩(wěn)定性逐漸消失。在5-15m/min的焊速范圍，質(zhì)量達到可接受的水平。焊速高于15m/min的話，產(chǎn)生的焊縫基本沒有缺陷(圖3)。這意味著最佳的焊接參數(shù)介于傳統(tǒng)的運動系統(tǒng)(例如機器人)所能達到的極限范圍內(nèi)。
這必須用更高的激光功率來實現(xiàn)。新的工藝研究已表明，工藝穩(wěn)定性不僅可以通過提高焊接方向的速度，也可通過光束導向鏡片的動態(tài)位置變化來實現(xiàn)。這種擺動技術使其能夠在相對較低的焊速下形成穩(wěn)定的焊點，并顯著降低焊縫深度。
通過這種擺動技術，僅使用1kW功率的單模光纖激光器便能實現(xiàn)高達1.5mm焊接深度的高質(zhì)量銅焊縫。同樣的技術也能夠應用于高亮度多模激光器。使用一款功率為6kW，光束質(zhì)量為2 mm mrad的光纖激光器測試后顯示，實現(xiàn)了5mm焊縫深度的高質(zhì)量焊接。
光束的動態(tài)控制可以通過傳統(tǒng)的掃描振鏡或新型的擺動頭實現(xiàn)，擺動頭結(jié)合了經(jīng)過驗證的焊接頭與掃描振鏡的性能優(yōu)勢。兩個振鏡能夠靈活地使用各種預先編程的圖形和形狀，例如圓形、線條或“8字形”，以及一定尺寸內(nèi)可自由編程的圖形和形狀。其主要優(yōu)點之一是能使用標準的聚焦鏡而不是f-theta場鏡可以在較低的焦點偏移水平下承受更高的功率密度，同時，常規(guī)的橫向氣簾和防護窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列擺動焊接頭可以在高達1 kHz的擺動頻率下工作，并且可輕松集成到各種加工系統(tǒng)中(圖4)。這些焊接頭可承受的激光功率高達12 kW。
實驗結(jié)果
在焊接具有變化的焊接方向的復雜路徑時，圓形擺動運動顯示出最好的結(jié)果。通過擺動頻率和擺動直徑(vc =πD f)可以很容易控制最終的光束速度。在大多數(shù)情況下，用于動態(tài)定位圓形光束速度vc的焊接速度矢量vw可忽略不計，這是因為光束速度遠高于焊接速度vw。
提供最佳結(jié)果的頻率設置取決于光斑尺寸、擺動直徑(以及由此得出的圓形光束速度vc)和線性焊接速度。圖5顯示了在恒定的焊接速度、激光功率和頻率，但擺動直徑不同的工藝條件下的焊縫表面。光斑尺寸在焦距f = 300mm處約為30μm。激光功率保持為恒定的1kW，而線性焊接速度設定為1m/min。如果沒有擺動運動，這些參數(shù)將導致非常不穩(wěn)定的工藝，例如：過熱的熔池和氣孔。
隨著擺動直徑的增加以及圓形光束速度的相應提升，表面質(zhì)量越來越穩(wěn)定。取決于擺動參數(shù)和光斑尺寸，光束和形成的匙孔通常在金屬熔池或在固體和再固化的材料中移動。在這兩種情況下，工藝都能實現(xiàn)穩(wěn)定性。
以下焊縫橫截面揭示了該技術的另一個優(yōu)點：擺動直徑可被用于定制焊縫橫截面的形狀。小的擺動直徑會形成激光焊接的典型V形橫截面，而較大的直徑能將焊縫從V形變?yōu)閁形或非常規(guī)則的矩形(圖6)。如果單位長度焊縫的能量輸入恒定(E = P vw)，則焊縫橫截面幾乎保持不變。這種技術使其能夠滿足特定應用需求對焊縫橫截面的要求。
于電氣觸點的疊焊，可以通過增加接觸面積來降低電阻，同時要控制焊接深度和熱輸入。在異種材料例如銅和鋁的疊焊中，可以通過控制焊接深度來控制材料的熔合比。通過下層金屬板的淺層熔融，可以將熔融材料的量減至最小，并且可以通過控制稀釋率來減少金屬間化合物。
脈沖，連續(xù)或兩者同時？
過去幾年內(nèi)，脈沖持續(xù)時間為幾毫秒的長脈沖光纖激光器被推向市場。它們在廣泛的應用中取代了傳統(tǒng)的閃光燈泵浦Nd：YAG激光器。這類激光器包括平均功率為250W而峰值功率高達2.5kW的單模激光器。先前提到了銅的脈沖焊接問題，重要的是需要克服脈沖開始時吸收較弱的問題，以及隨后由吸收率和熱傳導的突然變化所引起的能量輸入控制。
通過使用單模激光器減小光斑尺寸，可以繞過吸收率問題，但同時，集中的能量輸入一方面會導致產(chǎn)生小而弱的焊點，另一方面則會導致熔體過熱。這個問題的解決方案和連續(xù)激光器所用的工藝一樣簡單，可以在準連續(xù)(QCW)激光器上使用相同的擺動技術。
高頻光束運動使得激光光束在相對較短的脈沖時間內(nèi)移動相對較長的距離。這意味著在一個脈沖期間實現(xiàn)了準連續(xù)焊接，例如，在600Hz擺動頻率下的20ms長的脈沖實現(xiàn)由十二個旋轉(zhuǎn)的光束組成的圓形焊點或短線焊。通過向線性焊縫逐個添加脈沖能夠使銅焊接具有高焊接質(zhì)量、低平均功率以及相應的低投資成本。各個脈沖之間的凝固和重熔不會產(chǎn)生諸如氣孔、強烈的飛濺或不均勻的焊透深度等焊接缺陷。擺動直徑確定了焊縫尺寸和焊縫深度。除此之外，熱輸入要小得多，因此采用脈沖光纖激光器很容易對關鍵電氣元件進行焊接。
總結(jié)
實驗表明，高亮度光纖激光器能夠攻克銅焊接應用中的所有已知問題。高功率密度可實現(xiàn)匙孔的瞬時耦合和形成，即使在1070nm波長下也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性和高吸收率。通過高動態(tài)的光束擺動，焊接過程非常穩(wěn)定，從而減少或避免氣孔和飛濺現(xiàn)象，最終產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫。
為光束擺動設置的工藝參數(shù)能夠使焊接幾何形狀得到可控設計，從而在深熔焊工藝中產(chǎn)生非常淺的焊縫。使用長脈沖準連續(xù)光纖激光器，甚至可以在單個脈沖內(nèi)通過光束高速動態(tài)運動完成點焊。以這種方式，可以在非常低的平均功率下通過逐個增加脈沖來打造高質(zhì)量的焊縫
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