激光材料加工銅的先決條件是聚焦激光輻射和銅表面之間的直接互相作用，銅表面需要吸收輻射的一部分。如圖1所示，在室溫下， 拋光銅表面只能吸收不到5%的激光輻射（當激光波長為1μm時)。盡管如此，可以采取一系列措施來有效地進行銅焊，特別是使用固體或光纖激光器。
第一個措施是涂層使用表面吸收力更強的金屬， 如鎳或鉻，以及對表面進行機械準備，例如，粗加工或涂漆也能增加吸收能力。然而，這兩種措施會增加生產成本，因為它們需要額外的加工步驟。銅里面的化學雜質也可以影響吸收行為，使其更難以實現可再生焊接工藝。從吸收曲線可以看出，縮短激光波長將是一個優勢。例如，半導體激光器（0.8到1μm，紅光）或頻率翻倍的Nd:YAG激光器（532 nm，綠光）可以提供這些波長的光，盡管這些激光尚未達到銅工業可行的階段。在激光輻射入射點的加熱快慢取決于吸收的程度，過熱的風險和飛濺形成變得不可預測。對點焊來說，重現性差的問題比縫焊更加明顯。每個激光脈沖沖擊冷銅材料會經歷不同的初始條件。然而， 由于吸收不僅取決于波長和表面特征，還取決于材料溫度（溫度升高時，吸收也顯著提高）和激光輻射的強度，使得提高焊接工藝還有額外的空間。
覆蓋兩種波長
將532nm波長的激光脈沖覆蓋到1μm波長的激光脈沖上能顯著改善銅焊中經常遇到的重現性差的問題。如果兩個激光束使用相同的上色補償透鏡進行聚焦，它通常會導致銅表面從焊接位置的中心到邊緣加熱。這是由于綠光波長更好的吸收特性，從而提高銅的溫度，最終提高兩個波長的吸收能力。當吸收率增加后，表面特征的差異就沒那么大的影響。例如，如果一個激光束由15%綠光和85%紅光組成，兩種波長的不同初始吸收能力也考慮在內，大約相同能量的綠色和紅外輻射會被吸收（在室溫下）。圖2顯示在300μm厚的銅片上進行純紅外焊接（約1 MW/cm2）、純綠光焊接（約1 MW/cm2）以及兩種波長的組合焊接的結果。理論上， 兩種波長的光斑尺寸大約都是200μm。當使用純紅外脈沖時，沒有觀察到熔化的銅表面，當使用純綠色脈沖時，可以看到一些熔化，而將兩種脈沖進行覆蓋時，會導致焊縫池明顯增大。
工藝細節
選擇一個適當的紅外脈沖形式可以讓相對的綠光部分（比如轉換效率）進行調整。圖3顯示了一個典型的紅外脈沖形式和由此產生的綠色轉換。激光脈沖可以分成三個階段，后面將更詳細地描述。在激光脈沖的開始階段（0.5到1 ms），將有意設置脈沖強度以確保頻率翻倍的紅外輻射的比例最高。紅外和綠色輻射的組合將加熱銅表面，直到紅光的吸收能力足夠高，銅表面開始熔化。在熔化階段，典型的脈沖功率值在0.5和2.0kW之間，具體數據取決于銅片的厚度。一旦銅開始熔化，脈沖功率急劇減少。盡管這意味著接下來只能轉換很少的綠光，但在熔化階段，紅光的吸收足夠高。從這一點開始，將只繼續使用紅光進行焊接（綠色分量可以忽略不計）。焊接階段的持續時間取決于焊接點的范圍和深度。當脈沖結束時，使用定義的時間恒定量來降低功率，從而對焊接的冷卻階段產生積極影響，也就是其冶金和力學性能（例如硬度）。
與純紅外焊接的比較
圖4顯示了純紅外焊接和紅外加綠激光焊接的對比。脈沖持續時間大約是1ms，沒有使用脈沖整形（矩形脈沖）。在圖中上半部分的焊接點是用脈沖功率為0.8kW的紅外脈沖形成的，而圖的下半部分的焊接點是由1kW紅外激光和0.1kW綠激光創建的。正如預期的那樣，純紅外焊接的再現性很差，直徑波動顯，甚至可以觀察到焊接點丟失。而紅外和綠激光混合焊的再現性要好得多。沒有識別到缺陷。圖4的插圖顯示了一系列使用圖3描述的脈沖形式創建的焊接點。通過使用這種方法創建的焊接點看起來幾乎相同。一個更精確的分析表明，焊接光斑的直徑變化遠遠低于10%，并且實現了從銅帶到基材100% 全焊透焊接。例如，這一數據就符合醫學應用的嚴格規范。
效能考慮
在一個更深入的調查研究中，純紅外、純綠光和兩種光輻射混合的消融閥值強度都得以確定和比較。表格1概述了被測量的消融閥值強度。其中純綠光輻射的強度最低，頻率轉換對流程效率有著很大的限制。但是，如果用光輻射混合來替代純紅外輻射，在相同的激光效率下，消融閥值實際上將減半，從而提升流程效率。
工業應用示例
Lasag SLS GX 1500激光器配備有GreenMix專利技術。和其它工業綠光激光概念不同，這一解決方案僅使用一個激光源，這自然減少了系統的投資成本。兩種波長利用光學纖維和專用加工頭傳送至銅材表面。圖表2總結了GreenMix激光器的技術規格。
使用GreenMix激光器可以解決多種工業應用。目前這一激光器的工作范圍限制在300μm尺寸以內的組件。圖5概述了這一激光對于不同節點形式的工作范圍。研發部門正致力于突破這一工作范圍的限制，實現對于0.5mm及更大尺寸組件的加工。
現實中，這一激光器的典型應用包括：醫學應用中的帶式接合（例如起搏器）；引線鍵合（例如散熱片上的引線框） 以及電子行業和移動設備的導線分離， 還有光伏行業中太陽能組件的連接（例如柔性太陽電池）。
總結
本文概述了顯著提高激光焊接銅材再現性的方法。使用智能脈沖成形的紅外和綠光的組合，不僅提高了焊接的再現性，還大大增加了流程效率。
作者：Christoph Ruettimann
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