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长脉冲绿光激光,在紫铜焊接领域更具优势

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录纯铜具有延展性好、热导率高、导电性能好、抗磁等优势,广泛应用于电缆电气、电子元器件中。在消费电子行业,紫铜焊接已成为一种较为常见的连接方式,例如,紫铜与紫铜、铝合金、不锈钢等材料的焊接。目前铜薄片焊接主要采用近红外的光纤激光器和YAG激光器,其激光波长为1060~1070nm,紫铜对该波长的吸收率仅为5%,因此焊接紫铜时需要更高的激光能量密度,导致激光对金属的冲击与热变形较大,铜表面易产生大量飞溅,导致电子元器件中电流短路,影响产品外观,同时反射的激光极易损坏光纤。

铜的表面张力和粘度与不锈钢比很小,以致熔池形成极不稳定。而表面形貌、焊接角度、吸收波长受激光器的类型影响。研究表明,激光波长越短,紫铜对其吸收越高。绿激光波长532 nm,紫铜对其吸收率接近40%,绿激光焊接紫铜的能量效率会提高很多。

绿光激光焊接研究

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录绿光激光的产生方法有多种,理想状态下最直接的方法是利用稀土离子的能级跃迁产生绿光激光,但是大能量的绿光通常需要采用激光倍频技术将近红外激光转换为绿光。相比短脉冲和超短脉冲激光,长脉冲绿光激光的峰值功率低,难以获得高的倍频效率,因此在绿光激光器发展的较长一段时间内,国内外鲜有关于长脉冲绿光激光器的研究报道。在绿激光焊接应用方面,华南师范大学郭健洋对T2紫铜双光束复合精密焊接进行了研究,所用绿光激光器最大单点能量仅为255.4 mJ,在整个焊接过程中,绿激光的作用也仅仅是对紫铜进行预热,将绿光-红外YAG激光复合后,有效的避免了焊接热裂纹、气孔、飞溅等缺陷。盐城技师学院许为柏对绿光—红外混合激光焊接铜进行了研究,获得了质量较好的紫铜焊缝。另外,SEngler等在连续模式对绿光焊接紫铜的机理进行了研究,获得了良好的焊接效果。但是对于单光源的绿激光脉冲点焊,国内外很少有相关文献报道。大族激光攻克了倍频技术难点,完全自主研发长脉冲绿光激光器,实现铜、铝等高反材料的点焊。

绿光激光焊接优势

通过采用大族激光自主研发的长脉冲绿光激光器(PG3)和近红外单模光纤激光器(SFP150)进行紫铜焊接对比,图1为绿光激光器,该激光器使用芯径200 μm的光纤输出,配备焦距150 mm准直镜头和焦距100 mm聚焦镜头,最小理论光斑可达0.1mm。图2为单模光纤激光器,采用芯径50 μm光纤输出,该款激光器光束质量高,可连续/脉冲焊接,脉冲峰值功率1.5 kW。绿光激光器激光波长532 nm,最大输出平均功率3W,最大峰值功率1kW,最大脉冲能量可达3 J。

图1 绿光激光器

图2 单模光纤激光器

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录采用0.1mm、0.2mm、0.5mm厚紫铜和0.2mm厚纯铝为试验材料。焊前用酒精清理材料表面,使用夹具夹紧材料,焊接过程无需使用保护气,具体试验方法如下:

(1)在0.5mm厚紫铜上进行脉冲点焊,焊接接头如图3(a)所示,研究激光峰值功率、脉冲宽度对焊缝成型的影响,观察焊缝截面成型并记录焊缝熔深熔宽;

(2)分别使用绿光激光器、近红外光纤激光器对紫铜、铝合金进行搭接试验。焊接接头如图3(b)所示,焊后观察并记录焊缝表面成型。

图3  焊接接头形式,(a)平焊,(b)搭接焊

试验对绿光激光焊接紫铜的性能进行了具体的测试,同时研究了紫铜同种金属焊接、异种金属焊接的能力,并与波长1064 nm激光焊接进行对比,结果如下:

(1)随着脉宽、功率的增加,焊点直径、熔深均会增加,焊接过程从热导焊向深熔焊转变,热导焊形成的熔池状态更稳定;

(2)该绿光激光器的焊接深度达0.5 mm,由于焊点较小,对于厚度≤0.2 mm铜薄片焊接过程更为稳定;

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录(3)相比近红外激光,绿光激光焊接焊点圆整度更高、一致性好、表面更为光滑、无飞溅,绿光激光焊接紫铜所需激光能量更低,仅为红外激光的9~16%。

绿光激光焊接应用

纯金对接焊接,强度高,要求焊缝表面光滑,无气孔、飞溅、凹坑等缺陷。由于纯金对传统的红外激光吸收极低,传统激光焊接容易产生飞溅,焊点大小不均匀、表面不光滑。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录采用绿光激光分别对0.1 mm厚紫铜与0.1 mm厚紫铜搭接焊,以及0.1 mm厚紫铜与0.2 mm厚铝合金搭接焊。焊后表面无需清理,无飞溅产生,焊点大小均匀,焊接质量非常好,同时焊接过程稳定,所需能量也更低。

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录采用红外光纤激光器焊接时,焊点大小约为0.3 mm,并且每个焊点大小不规则,有飞溅现象。而采用绿光激光器进行焊接,由于铜对绿光的吸收率很好,焊斑直径达0.4 mm,并且每个焊点都很规则。绿光激光具备其焊接优势,在如上所述金属材料的焊接中具备良好的应用市场。

作者:朱宝华,李小婷,孙子路

大族激光科技产业集团股份有限公司

1.朱宝华,李小婷,孙子路 长脉冲绿光激光焊接技术[J]. 应用激光,2018, 38(6): 946~952

万博bet-万博manbext网页版-manbext网页版登录2.大族激光精密焊接事业部

中科红塔是一家专注于激光产业投资的基金管理公司,实际控制人为中国烟草总公司,2017年与中科院上光所和南京市经开区共同发起设立激光基金,主要面向激光产业进行创业孵化与战略投资。

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