半導體激光器發展于上世紀60年代，如今已經在各行各業中得到了廣泛的應用。半導體激光器可以作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源，也可以直接輸出用作激光加工，直接輸出用作激光加工時稱直接半導體激光器。
受激光器光束質量的限制，傳統半導體激光器在材料加工領域，主要被應用于激光熔覆、激光淬火等方面，而難以滿足對光束質量要求較高的金屬切割及焊接等應用工藝。近年來，隨著半導體耦合技術的提高，以及新型合束技術的逐漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導體激光器，逐漸可以滿足激光焊接對光束質量的要求。如熱刺激光器推出的200/220/0.22NA光纖輸出的1800W直接半導體激光器就能滿足3mm以下厚度的大部分金屬材料的焊接。
在金屬焊接領域，光纖輸出的半導體激光器光斑大小適中、光斑對稱性好、材料吸收率高，在焊接過程中熔池穩定、無飛濺、焊縫表面光滑美觀，因此特別適用于汽車激光釬焊及金屬薄板焊接。目前半導體激光器已經取代了許多傳統焊接技術，發展勢頭迅猛。
二、高亮度半導體激光器保溫杯焊接應用
保溫杯杯身傳統焊接均采用氬弧焊，鎢針在不斷的放電、起弧、工作過程中，會產生氧化和損耗，工作一段時間后需要對鎢針進行打磨、裝調，此過程對工人的操作要求較高，且調試過程會產生廢品并浪費生產時間，更重要的一點是氬弧焊會對人體健康造成傷害。
與氬弧焊相比，半導體激光焊接性能穩定成品率高，操作簡單，焊縫美觀無需二次處理，焊接過程更環保且對人體健康無危害。
與光纖激光器相比，半導體激光器光斑較大，功率密度分布更均勻，更適合薄板不銹鋼的傳導焊接，且與等功率的光纖激光器相比，半導體激光器光電轉換效率高、價格低、穩定性更好。現半導體激光器用于保溫杯焊接已被大量推廣。
保溫杯一般主要由四部分構成，如圖1所示。分別為內膽、內底、外杯身、外底。成品焊接需要五條焊縫，分別為外殼制管、內膽制管、杯口焊縫、內膽底縫、外殼底縫。為更詳細介紹本應用，以下焊接均以某一型號保溫杯為例，只作杯口、內膽底、外殼底焊接介紹。
圖1 保溫杯焊接示意圖
杯口焊接
此保溫杯內膽與外杯身均采用0.3mm厚304不銹鋼，激光器采用熱刺800W光纖耦合半導體激光器，輸出芯徑200μm，數值孔徑0.22，焊接速度45mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖2所示。
圖2 （a）杯口焊縫正面（b）杯口焊縫橫截面
圖2（a）為焊縫正面，放大倍數45倍。可以看出，半導體激光焊接杯口表面光滑、平整，滿足工藝要求，無需磨口處理。而氬弧焊對人員焊接技能要求較高，且焊接發黑、不平整，需要磨口處理。
圖2（b）為焊縫橫截面，可以看出，焊縫上表面為圓弧形，圓弧與杯身過渡圓滑，無需二次處理；焊縫深度約0.25mm接近板材厚度，且焊縫內無氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。由于焊接過程激光束與待焊區域不可避免的位移偏差，此試樣焊縫中心點并未在內外壁板材中央，但對焊接效果影響較小。
內膽底焊接
此保溫杯內杯底采用0.4mm厚304不銹鋼，激光器采用熱刺1800W半導體光纖耦合激光器，輸出功率1500W，輸出芯徑600μm，數值孔徑0.22，焊接速度160mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖3所示。
圖3 （a）內膽底焊縫正面（b）內膽底焊縫橫截面
圖3（a）為焊縫正面，放大倍數20倍，正面縫寬約1.7mm。可以看出，焊縫表面平整，上表面無其他陷。此焊縫在焊接時未施加惰性氣體保護保護，因此焊縫表面呈氧化狀態，經過一步必要處理后可去除氧化層得到光亮焊縫。
圖3（b）為焊縫橫截面，此焊縫為不等板厚拼接焊，焊縫正面飽滿無任何塌陷、咬邊現象，焊縫背面平整無燒蝕塌陷；焊縫深度不小于0.3mm，且焊縫內無任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。
外底焊接
此保溫杯外底采用0.5mm厚304不銹鋼，激光器采用熱刺800W半導體光纖耦合激光器，輸出芯徑200μm，數值孔徑0.22，焊接速度50mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖4所示。
圖4 （a）杯底焊縫正面（b）杯底焊縫橫截面
圖4（a）為焊縫正面，放大倍數20倍，焊縫寬度約1.1mm。焊接過程采用惰性氣體保護，焊縫光潔平整、呈銀白色無任何氧化痕跡，焊縫無需任何后期處理。
圖4（b）為焊縫橫截面，放大倍數45倍，此焊縫介于角焊縫和拼焊，外杯身熔池少量流向熔池中部，焊縫連接處深度不小于0.3mm，焊縫深度最小值約0.25mm。焊縫內無任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。
此結構的保溫杯底無法使用氬弧焊焊接，氬弧焊焊接的杯底結構更復雜，因此，本步驟的激光焊接可以從材料及程序上進一步降低生產成本。
與氬弧焊相比：1）效率方面，杯口與外杯底焊接速度略高于氬弧焊，但內杯底焊接速度提升明顯，速度提升一倍左右；且激光焊的操作程序簡單，增加了整體效率。2）成品率方面，激光焊接成品率略高于氬弧焊。伴隨激光器亮度的進一步提升以及焊接工藝的改善，焊接效率及焊接成品率方面還將有較大提升空間。
三、總結
綜上所述，半導體激光焊接在保溫杯等薄板金屬焊接領域前景廣闊。在其他領域，高亮度半導體激光焊接設備也應用廣泛，如動力電池、電子器件、汽車工業等。
隨著光纖耦合技術的進步，半導體激光器的亮度將進一步提高，例如熱刺激光即將推出的2000W半導體激光器，輸出的光纖芯徑可以減少至105μm，此類半導體激光器可用于中薄板金屬激光深熔焊接或激光切割。因此高亮度半導體激光器具有廣闊的應用前景和市場空間。
來源：激光制造商情
供稿：熱刺激光
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