高功率蓝激光焊接技术及应用

shuszhao · 发表于 2021-8-9 09:11:42

一、引言

金、银、铜及其合金由于良好的导电性和延展性被广泛应用于汽车配件、新能源电池、被动元件等行业，尤其是电感、电阻等产品。然而，金、银铜等高反材料焊接一直以来都是一个科学难题，红外光纤激光摆动焊接、光纤-半导体激光复合焊接、环形+高斯光束复合焊接的方式都不能够完全解决焊接中存在的飞溅、咬边、气孔等缺陷。由于铜及铜合金导热性极高，固态（25oC）条件下，铜对红外激光（1064nm波长）的吸收率仅5%，要实现紫铜的焊接需要高功率以及高能量密度的红外激光器。而相同条件下，铜对蓝激光（450nm波长）的吸收率高达65%，因此采用相对较低功率的蓝激光器就能实现较厚紫铜的对接、搭接焊。针对高反材料焊接需求，杰普特对蓝激光焊接高反材料展开了系统性的工艺研究，率先研发了最高功率1.5kW的蓝激光焊接系统，较好的光束质量使该系统在焊接厚度≥1.0mm的紫铜及合金上极具优势，在高反材料焊接上具有非常好的应用前景。

图1 紫铜对不同波长激光吸收率变化曲线

二、蓝激光器与红外激光器焊接特性

紫铜及铜合金对红外激光的吸收率极低，需要采用能量高斯分布的单模激光器进行焊接，激光功率密度≥106W/cm2形成匙孔焊，液态铜在表面张力以及重力作用下使匙孔快速闭合坍塌，而匙孔内部的蒸汽反作用力使匙孔开口重新打开，导致形成飞溅，同时匙孔坍塌导致内部气体无法快速溢出形成气孔，无论是飞溅还是气孔，都会降低焊接质量，影响力学性能。铜材在蓝光波段吸收率大幅度提升，蓝激光能量通常为平顶分布，焊接过程中铜材表面先熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池，从而实现铜材的无飞溅、无气孔焊接。

图2 （a）3kW红外光纤激光器（b）1.5kW蓝光激光器

如图3所示，单模红外光纤激光器光斑能量为高斯分布，针对不等厚度紫铜&镍铬合金焊接时为深熔焊，焊接过程中匙孔穿透镍铬合金，导致熔池波动较大，形成飞溅，且表面粗糙，焊缝背面紫铜与镍铬合金未熔合形成平滑过渡，抗弯曲强度较差。蓝光激光器光斑能量为平顶分布，针对不等厚度紫铜&锰铜焊接时为热传导焊，焊接过程稳定，焊缝表面光滑无飞溅，焊缝背面紫铜与锰铜熔合良好形成平滑过渡，抗弯曲强度良好。

图3 红外光纤激光器&蓝光激光器焊接特性对比

在N2保护下对0.5mm紫铜与0.5mm紫铜进行叠焊，由高速摄像结果可知，2kW红外光纤激光焊接过程中形成匙孔，在蒸汽反作用、表面张力、重力相互作用下，匙孔产生剧烈波动，导致熔池震荡产生大量飞溅，焊缝表面形貌粗糙。同时由于铜导热性强，焊接起始位置稳定性差，导致前后段焊缝宽度差异较大。1.5kW蓝激光焊接为热导焊，无匙孔形成，熔池稳定无飞溅，焊缝表面形貌光滑平整。由于紫铜对蓝激光吸收率高，在起始阶段就能形成稳定焊接，焊缝均匀性更好。

视频1 0.5mm紫铜搭接焊-2kW红外光纤激光器 VS 1.5kW蓝光激光器

图4 0.5mm紫铜搭接焊（a）2kW 红外光纤激光器（b）1.5kW蓝光激光器

在N2保护下对0.5mm紫铜与0.5mm紫铜进行对接焊，由高速摄像结果可知，2kW红外光纤激光焊接过程中存在大量飞溅，焊缝表面形貌粗糙，均匀性差，并且存在大量气孔，1.5kW蓝激光焊接过程中无飞溅，焊缝表面形貌光滑，无气孔，均匀性高。

视频2 0.5mm紫铜对接焊-2kW红外光纤激光器 VS 1.5kW蓝光激光器

图5 0.5mm紫铜对接焊（a）2kW 红外光纤激光器（b）1.5kW蓝光激光器

三、高功率蓝激光焊接系统

JPT蓝激光焊接系统采用波长450nm半导体蓝激光器作为光源，利用振镜焊接头、准直聚焦焊接头、光纤-蓝光复合焊接头，搭配三维四轴焊接工作台，可实现连续、单脉冲、摆动等方式的焊接，通过波形编辑精确控制热输入，实现高反材料尤其是铜、金、银及合金的搭接焊和对接焊。
●国内首套1500W高功率蓝激光焊接系统，光束质量好；
●性能稳定，激光功率稳定性±2%，可长时间稳定焊接；
●蓝激光吸收率极高，适用于铜、金、银等高反材料焊接；
●波形编辑精确控制能量输出，可实现点焊、连续焊接；
●可实现厚度1mm紫铜及铜合金搭接、对接焊，穿透能力强；
●焊接速度快，可实现200mm/s高速焊接，提高焊接产能。

图6 （a）蓝激光准直聚焦焊接系统（b）蓝激光振镜焊接系统

图7 （a）蓝光准直聚焦焊接头（b）光纤&蓝光复合焊接头（c）蓝光振镜焊接头

表1 蓝激光焊接系统参数

四、蓝激光焊接应用及案例

蓝激光可实现铜、铜合金、镍铬合金、不锈钢等材料不同组合的焊接，针对薄片材料，既可以实现0.02mm铜箔多层叠焊，也可以实现0.1mm、0.2mm、0.5mm等不同厚度紫铜对接焊；针对厚板材料，可实现1mm紫铜单面焊双面成型，1.5mm锰铜、镍铬合金单面焊双面成型，2mm紫铜及铜合金的双面焊双面成型。
图 8 紫铜搭接焊（a）0.1 mm （b）0.2 mm （c）0.02 mm-25pcs
图9 紫铜对接焊（a）0.1mm&0.1mm （b）0.2 mm&0.5 mm （c）0.5mm&0.5 mm

视频3 蓝激光焊接高速摄像（a）0.5mm紫铜搭接焊（b）0.5mm紫铜对接焊
蓝激光焊接电阻元件应用案例：某些电阻元件目前主要采用电子束焊接，存在成本高、产能不足等问题，急需开发新工艺来替代电子束焊接。电阻元件焊接难度在于材料本身为高反材料，又是铜与铜合金的异种金属焊接；同时铜与铜合金又是非等厚板对接，其中中间的铜合金最窄的宽度仅1.2mm，单边焊接会引起变形影响第二条边的焊接，因此如何实现该产品的稳定量产充满着挑战。
JPT公司针对该产品焊接进行了系统的工艺验证，针对不同规格产品提出了单光路焊接和双光路焊接的方案，良好的控制了焊接变形，实现了该产品的“零缺陷”焊接，焊接速度最大可达200mm/s，极大的提升了生产效率，目前该系统已成功交付客户实现了稳定量产。

图12 双光路蓝激光焊接系统

图10 电阻元件焊接形貌

图11 电阻元件焊接样品

五、结论

高功率蓝激光焊接系统非常适合焊接金、银、铜及其合金等高反材料，以及特殊接头形式的不锈钢、镍铬合金等材料，焊接质量与焊接效率相比其它激光焊接方式均具有较大优势。但是蓝激光器焊接也存在一些局限性，针对厚度≥2mm紫铜及其合金等厚板材料，需要进一步提升蓝激光器光束质量，从而适用于大深宽比焊接应用场景。随着蓝激光器功率及亮度的不断提高，蓝激光焊接将在更多领域得到广泛应用。