銅的激光束焊接，尤其是相對較高的板厚和較低的焊接速度，非常具有挑戰性，很可能出現嚴重的焊接缺陷。通過降低環境壓力，可以極大地提高工藝能力。真空激光束焊接（LaVa）工藝變體允許以低于2m/min的焊接速度對銅進行高質量焊接，從而以相對較低的激光功率實現高穿透深度。
通過減壓在低焊接速度下對銅進行良好焊接。
銅以其高導電性和高導熱性等特性成為現代最重要的金屬之一。銅被廣泛用于各種工業、應用和板材厚度。大量的應用意味著對銅連接解決方案的高需求。焊接是在接頭中實現高導電性和高導熱性的解決方案，但同時，高導熱性會給焊接過程帶來困難。
激光束焊接在大規模生產中效率很高，通過獲得相對較高的強度，可以克服銅的高導熱性。另一方面，銅對典型激光電源（波長范圍為900至1080 nm）波長的吸收系數相對較低。這就需要更高的光束強度，與鋼或鋁焊接相比，這意味著更小的光斑尺寸和/或更高的激光束功率。
低吸收系數并不是銅激光束焊接需要解決的唯一挑戰。尤其是在焊接速度較低時，會出現噴發狀焊縫金屬噴射。由于這些噴射物的大小和數量，出現了嚴重的焊接缺陷（圖1）。所述焊縫金屬噴射可通過蒸汽毛細管的膨脹和內爆來解釋。
圖1低焊接速度下銅激光束焊接的典型缺陷。
預計蒸汽毛細管的不穩定性與特定的材料特性有關，例如高導熱性和所用激光輻射的低吸收系數，這會導致更多的光束/工件相互作用來吸收激光輻射。具有熔點和沸點而不是范圍也有助于降低激光束焊接過程的穩定性，因為材料會突然液化，也會突然蒸發。
在工業應用中，由于這些障礙，只能獲得相對較小的穿透深度值。到目前為止，工業應用所需的工藝可靠性大多只能在非常高的焊接速度下得到保證，這導致熔深較小，對所需激光功率和快速準確定位的要求較高。
盡管存在障礙，但由于效率高，許多研究小組已經開展了研究工作，并正在進行中，以提高銅焊接LBW工藝的工藝能力。大多數研究工作集中于通過使用光束質量最高的激光電源來增加激光束的強度，以獲得非常小的聚焦直徑（單模光纖激光器），使用功率調制或使用不同波長的激光器（約500 nm的綠色激光），這些激光器更好地被銅吸收。目前的研究表明，在較高的激光功率下，在2 m/min (10 kW)和4 m/min (16 kW)的焊接速度下，可以抑制焊縫金屬噴射。本文的研究工作尋求一種不同的方法來提高工藝穩定性，避免焊縫金屬噴射的發生。已經證明，對于鋼材料（非合金鋼和高合金鋼），環境壓力的降低會導致工藝穩定，尤其是在低焊接速度下。在當前研究的框架內，嘗試將該工藝變量應用于銅厚板焊接。
激光真空焊接(LaVa)
自從2010年用最先進的固體激光器重新開始研究降低環境壓力的效果以來，已經取得了顯著的成果。在焊接速度較低的情況下，壓力的降低會導致工藝穩定性的大幅提高和內焊縫幾何形狀的巨大變化。焊縫質量和熔深可以顯著增加（圖2）。金屬蒸汽羽流的抑制（圖1，頂部）、沸點的降低以及環境壓力對蒸汽毛細管形成的影響的降低被認為是產生巨大影響的主要原因。
圖2真空LaVa焊接（非合金鋼）。
對于非合金鋼，可在厚度為50 mm的板材上實現單道接頭焊接。高合金鋼、鎳基合金和鈦的焊接工藝已成功開發，可用于厚度在30至40 mm范圍內的單道焊。另一方面，該技術適用于在滲透深度一致性、密封性、孔隙率或減少飛濺方面要求最高質量標準的應用。
銅的真空激光焊接
將LBW工藝置于真空條件下，需要一個真空室和一個泵送系統。與電子束焊接相比，中等真空（0.1至10 hPa）就足夠了。這意味著只需要一個泵級，并且可以使用無油的相對堅固的泵。與激光電源、工件或光束操縱和機器控制的基本成本相比，真空室的額外成本較低。所有需要的組件都可以在市場上買到。
大多數系統采用帶有外部焊接光學元件的設計。這方面的一個關鍵部分是保護窗口，它允許將激光束耦合到腔室中，使其免受過程排放物的影響。通過應用合適的系統（ISF development“Optishield”），窗口中聯軸器的壽命可以增加到每個窗口1000次以上的焊接試驗。在與工業伙伴PTR Strahltechnik(4腔室分度機，圖3左側)和Focus GmbH(多用途機，圖3右側)的密切合作下，已經開發出了兩種用于工業應用的lava -焊機概念。
圖3真空激光束焊接：機器設置.
多模固體激光器（光盤激光器Trumpf TruDisk 16002）已用于所示的研究工作。焊接光學元件（Precitec YW 52）的光斑直徑為0.3 mm（光纖直徑為200μm）。它們允許激光束在焊接方向或垂直于焊接方向的方向上振蕩。對于非合金鋼和高合金鋼的焊接，LaVa已被證明能在0.2到1 m/min的低焊接速度下穩定焊接過程。上表面幾乎沒有飛濺，孔隙率受到積極影響，焊縫幾何形狀（尤其是熔深）大大改善。
在環境大氣壓力（1000 hPa）和中等真空壓力（2 hPa）下用銅進行對比焊接試驗的結果也表明，如果壓力降低，焊接過程會顯著穩定（圖4）。
圖4 Cu DHP–減壓的影響。
對比基本焊接參數（聚焦位置在表面上，無光束振蕩）。使用的銅是一種磷還原銅，具有高殘留磷Cu DHP。在焊接速度為1.5 m/min時，焊接金屬的噴射完全可以避免，峰值功率為16 kW。大氣壓下的對比焊接試驗顯示了典型的焊接缺陷。
基本對比(圖4)說明了壓力降低對焊縫金屬彈射形成的影響。對銅DHP焊接參數和焊接工藝開發的更詳細研究，包括垂直于焊接方向的激光束的振蕩，證明了工藝變量熔巖在3至10 mm以上板厚范圍內焊接銅的全部潛力。
研究了焊接參數對焊接過程穩定性、內焊縫幾何形狀和質量的影響，結果表明，尤其是參數的焦點位置和光束振蕩（振蕩寬度和頻率）需要與選擇的焊接速度和激光功率相適應，以優化焊接結果。通過將焦點位置從基板的上表面改變到表面下的位置，并施加振動，內部焊縫幾何形狀可以從焊縫寬度變化劇烈的形狀改變為側面幾乎平行的形狀。此外，這樣可以提高工藝穩定性和孔隙率。
基于這項研究工作，開發了一種在銅Cu-DHP中實現超過8mm穿透深度的焊接工藝，該焊接工藝沒有焊縫金屬噴射，沒有焊縫內部缺陷，且氣孔率較低(圖5)。
圖5焊深為8mm，焊速低(Cu-DHP)的焊接工藝。
所選擇的焦點位置xf在工件上表面下5mm，所選擇的光束振蕩(寬度為1mm，頻率為300hz)導致焊縫幾乎為三角形。經證明，具有平行側面或甚至三角形的形狀可導致低孔隙率和高工藝穩定性。只有0.6 mm左右的相對較小波動，才能確保9 mm的穿透深度。目前的結果是在多模固體激光器的激光功率僅為8千瓦的情況下獲得的，因此強度水平相對較低，為113kW/mm2。由于可以在0.5 m/min的低焊接速度下進行高工藝穩定性的焊接，因此簡化了操作和工藝控制。開發的焊接工藝包括一個啟動過程，以盡快建立蒸汽毛細管，并減少飛濺。因此，在焊接開始時，激光束聚焦在上表面，激光功率線性增加至標稱激光功率。在第二步中，在蒸汽毛細管建立后，將焦點位置調整為標稱值（參見圖5縱截面中的啟動過程）。焊接過程的關閉還沒有得到優化，這導致了最終的焊口。
總結
通過將環境壓力降低到0.1 hPa的范圍，可以顯著提高銅在相對較低焊接速度水平下的激光束焊接過程穩定性。即使在0.5到2 m/min的焊接速度范圍內，也可以完全防止焊縫金屬噴射。焊接參數“焦點位置”和垂直于焊接方向的激光束振蕩已被證明會對內部焊縫幾何形狀和焊縫質量（孔隙率、焊縫金屬噴射、飛濺）產生巨大影響。
在4到10 kW的激光功率范圍內使用多模固態激光器足以獲得穿透深度，而不會產生3到10mm以上的關鍵焊接缺陷。在低焊接速度下防止關鍵焊接缺陷的機會會降低完成焊接任務所需的激光功率，并降低對快速準確定位的要求。該工藝特別適用于焊透深度相對較高（>5mm）且焊縫長度較短的焊接任務，如動力軌或小直徑旋轉對稱零件。
來源：Laser Technik Journal - 2016 - Reisgen - Laser Beam Welding of Copper，DOI:10.1002/latj.201600029
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