綠光-紅外混合激光焊接銅

許為柏

（鹽城技師學(xué)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(duì)材料進(jìn)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(chǎn)效率高、加工精度高等特點(diǎn)[1-2]。生產(chǎn)應(yīng)用前景廣闊，在某些領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)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(dá)到0.2 mm以下，在3C行業(yè)等精細(xì)加工領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)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(duì)激光的吸收率很低（高反材料），對(duì)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(huì)隨著自身溫度的升高而增加對(duì)激光的吸收率，直到達(dá)到材料的熔化狀態(tài)——材料對(duì)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(gè)階段：第一階段，材料對(duì)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(duì)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(xù)升高，對(duì)激光的吸收率繼續(xù)升高，達(dá)到熔池的建立及擴(kuò)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(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過焊接的需要，導(dǎo)致低熔點(diǎn)合金元素的蒸發(fā)及焊接過程中熔池飛濺，焊縫內(nèi)部留下形成孔洞或者焊縫表面形成缺陷，影響焊接頭質(zhì)量及焊接強(qiáng)度[7]。

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

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 激光器

實(shí)驗(yàn)采用自己設(shè)計(jì)的綠光-紅外混合光源激光焊機(jī)（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(zhǎng)與1 064 nm波長(zhǎng)同時(shí)通過光纖耦合輸出。具體技術(shù)參數(shù)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%?？偧す廨敵瞿芰糠€(wěn)定在3%以內(nèi)。

圖1 150W綠光-紅外混合激光焊接機(jī)

表1 激光器的技術(shù)指標(biāo)

1.2 綠光-紅外混合光源結(jié)構(gòu)

綠光-紅外混合光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生光激發(fā)激活物質(zhì)產(chǎn)生激光，在諧振腔內(nèi)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(jīng)過非線性晶體后產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，無需復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)及機(jī)械加工件?？梢缘玫椒€(wěn)定的綠光-紅外激光混合光源。

1.3 焊接運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)

工作臺(tái)可以在x、y、z方向移動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)xyz三軸聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)激光聚焦頭運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yùn)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)例如圖3所示，各項(xiàng)指標(biāo)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(yùn)動(dòng)工作臺(tái)

表2 工作臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究采用厚度為0.2 mm的純銅進(jìn)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(duì)銅的焊接效果。

2.2 焊接工藝參量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

檢驗(yàn)焊接效果的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(shè)置。為減少試驗(yàn)次數(shù)，本研究借鑒前期的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)采用緩升緩降的波形設(shè)置，如圖4所示。

以峰值功率大小、脈沖寬度及離焦量三個(gè)參量設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，如表3所示，得到最佳的工藝參量。由表3可知，當(dāng)離焦量為3 mm（激光焦點(diǎn)與工件表面的距離為3 mm）時(shí)，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(dǎo)致銅材料內(nèi)部的部分低熔點(diǎn)材料氣化，在焊接過程中產(chǎn)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?yàn)槊}沖寬度即是一個(gè)脈沖激光作用在材料表面的時(shí)間，當(dāng)激光作用時(shí)間較短，材料內(nèi)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(yàn)編號(hào)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(shè)計(jì)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3 焊縫外觀對(duì)比分析

為了進(jìn)一步對(duì)比分析紅外激光器與綠光-紅外激光器對(duì)銅焊接效果的影響，首先采用上文得到的最佳工藝參量進(jìn)行外觀分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用綠光-紅外混合光源激光對(duì)銅進(jìn)行焊接得到的焊縫外觀，焊點(diǎn)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(zhǎng)為532 nm的綠激光濾掉，僅保留波長(zhǎng)為1 064 nm的紅外激光，為了對(duì)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(diǎn)大小不一，深淺不一，某些焊點(diǎn)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用綠光-紅外混合激光焊接，焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，無明顯氣孔等缺陷，如圖6a所示。采用波長(zhǎng)為1 064 nm的紅外激光對(duì)銅進(jìn)行焊接，焊縫內(nèi)部有氣孔等缺陷，如圖6b所示，這可能是因?yàn)樵谌鄢貎?nèi)部形成的小孔效應(yīng)，內(nèi)部的元素?zé)o法溢出熔池，殘留在焊縫內(nèi)部形成氣孔缺陷[7]。

3 結(jié)論

（1）開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型綠光-紅外混合激光器，光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量穩(wěn)定，質(zhì)量可靠。

（2）采用綠光-紅外混合激光對(duì)銅進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過優(yōu)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(duì)銅焊接效果的對(duì)比分析，結(jié)果表明，綠光-紅外混合激光焊接過程更加穩(wěn)定，焊縫內(nèi)部無氣孔等缺陷，焊接效果更好。

圖6 焊接熔池

（4）通過對(duì)綠光-紅外混合激光和紅外激光對(duì)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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