深度解析紅藍(lán)復(fù)合激光在焊接中的應(yīng)用

在電動汽車中使用的電池的制造過程中，銅材料需要進(jìn)行高速焊接，且無飛濺。通常使用波長接近1000 nm的紅外激光器，然而這對于焊接銅材料具有兩個主要挑戰(zhàn)：低能量吸收率以及工藝的不穩(wěn)定性。銅材料對紅外激光的吸收率會隨溫度升高而增加。當(dāng)高功率紅外激光照射銅表面時，小孔形成后，銅表面的能量吸收率突然增大；小孔不穩(wěn)定，容易形成飛濺物。同時由于紅外激光器的功率會很大，會使得激光器受到損害。銅材料對藍(lán)色激光的吸收率約為60% ，比IR激光的吸收效率高得多。一些文獻(xiàn)中報(bào)告了藍(lán)色二極管激光器用于加工銅的可行性。藍(lán)光激光可以高效、高質(zhì)量地焊接銅箔或銅板。然而，藍(lán)色激光器的成本比近紅外激光器的成本高很多，并且最大輸出功率限于2000 W。結(jié)合紅外激光能量吸收率低、工藝不穩(wěn)定和藍(lán)光激光輸出功率低的缺點(diǎn)，我們可以提出一種藍(lán)光-紅外復(fù)合激光焊接工藝。在該焊接工藝中，我們可以先用吸收率高的藍(lán)色激光熔化母材表面，再用紅外激光增加熔池深度。

Yang等人基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了3 mm厚銅板的近藍(lán)-紅外復(fù)合激光焊接；首先用低功率藍(lán)光激光加熱銅板，然后高功率紅外激光照射銅板的高溫表面，形成深小孔。Fujio等人開發(fā)了一種藍(lán)光-紅外激光復(fù)合焊接系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了混合激光的焊接效率比紅外激光的焊接效率高1.45倍。Kaneko等人使用同軸復(fù)合藍(lán)-紅外激光器擴(kuò)大了熔池和小孔，穩(wěn)定了內(nèi)部的熱對流。在藍(lán)-紅外激光復(fù)合焊接中，激光能量的吸收不僅會影響焊接過程的穩(wěn)定性，還會影響設(shè)備的使用壽命。如果在藍(lán)色激光照射之后銅表面的溫度低，則由銅表面反射的IR激光能量高，這可能損壞激光頭。

紅藍(lán)復(fù)合激光在焊接中的應(yīng)用

Fujio, S等人研究開發(fā)了一套以藍(lán)光半導(dǎo)體激光器為預(yù)熱光源，單模光纖激光器為焊接光源的復(fù)合激光系統(tǒng)。利用該復(fù)合激光系統(tǒng)對2.5×3.0×50 mm的銅線進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。圖1顯示了用高速攝像機(jī)在0.1、0.2和0.3秒時捕獲的純銅在(a)復(fù)合激光器和(b)單模光纖激光器下的熔化和凝固動力學(xué)。在單模光纖激光器的輸出功率為1 kW的情況下，銅的熔化從大約0.3秒開始。另一方面，對于輸出功率為1 kW的單模光纖激光器和輸出功率為200 W的藍(lán)色二極管激光器的混合激光器，銅的熔化從0.2秒開始。因此，如圖2所示，在復(fù)合激光器中，銅的熔化體積變得比單模光纖激光器大。

因?yàn)槭褂盟{(lán)色二極管激光器預(yù)熱，銅的溫度升高至約800 ℃。溫度上升會導(dǎo)致銅對光纖激光器的光吸收率局部上升。同時復(fù)合激光器比單模光纖激光器獲得了更大的銅熔化體積。因此，認(rèn)為通過藍(lán)色二極管激光器的預(yù)熱，銅對單模光纖激光器的光吸收率提高，焊接效率提高。

圖1. 銅樣在0、0.1、0.2和0.3秒條件下的熔化和凝固動力學(xué)(a)1 kw單模光纖激光器+200 w藍(lán)色激光器，(b)1 kw單模光纖激光器

圖2. 輻射后的銅樣品

Wu等人針對厚度為0.5 mm的銅材料，采用同軸復(fù)合式藍(lán)光-紅外激光焊接工藝，建立了一種新的藍(lán)光-紅外激光熱源模型，并結(jié)合虛擬網(wǎng)格細(xì)化方法，對熔池動態(tài)行為和激光能量吸收進(jìn)行了數(shù)值模擬。與藍(lán)光激光焊接相比，同軸復(fù)合藍(lán)光-紅外激光焊接的最高熔化溫度和速度波動較大，激光總能量效率較低，但仍能獲得良好的焊縫。與紅外激光焊接相比，在同軸復(fù)合藍(lán)光-紅外激光焊接中，藍(lán)光激光提高并穩(wěn)定了紅外激光的能量效率。

在t=0.1 s時，從同軸復(fù)合藍(lán)-紅外激光焊接情況重新開始具有0 W的藍(lán)激光功率、1400 W的紅外激光功率和1.2 m/min的焊接速度的新模擬。如圖3(a)所示，僅形成小的熔池。最高熔化溫度為1798 K，最大熔化速度為0.11 m/s。如圖3(b)所示，在t=0.232 s之后，吸收的紅外激光功率和效率分別為190.4 W和13.60%。與紅外激光焊接相比，同軸復(fù)合藍(lán)光-紅外激光焊接的紅外激光能量效率提高了16.99%，激光總能量效率提高了165.22%。如圖3(c)所示，同軸復(fù)合藍(lán)光-紅外激光焊接和紅外激光焊接中的紅外激光效率的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.014%和0.215%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在復(fù)合藍(lán)-紅外激光焊接中，藍(lán)激光提高并穩(wěn)定了紅外激光的能量效率。

圖3. 激光焊接的數(shù)值結(jié)果

結(jié)論

鑒于藍(lán)光的成本以及最大功率的限制和紅外激光能量吸收率低、工藝不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，提出了一種藍(lán)光-紅光復(fù)合激光焊接工藝。通過藍(lán)光的高吸收率預(yù)熱材料，從而實(shí)現(xiàn)對紅光的吸收率的上升，同時由于藍(lán)光的功率密度相較與光纖激光較小，可以實(shí)現(xiàn)將穩(wěn)定熱導(dǎo)焊與深熔焊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高反合金(鋁、銅)的高效焊接。

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。

CRT專業(yè)提供工業(yè)自動化運(yùn)動控制技術(shù)及解決方案！

---（激光）焊接、拋光、切割、直坐標(biāo)機(jī)器人（桁架機(jī)械手）、等特種數(shù)控設(shè)備運(yùn)動控制系統(tǒng)，（步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、驅(qū)動器、電源）。

審核編輯 黃宇