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高功率蓝激光焊接技术及应用

时间:2021-08-06 阅读:
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。
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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。

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责编:Amy Guan

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