在銅焊接領域，藍光二極管激光首次實現(xiàn)了對銅材料的熱傳導焊接。然而，藍光激光器的焊接技術在銅的深熔焊上仍存在一定的局限性。而紅外激光在此應用中的表現(xiàn)也并不盡如人意。在此，Laserline提出將藍光與紅外二極管激光器結(jié)合，為銅焊接提供了全新的加工方式。這種全新的加工方式不僅適用于板材焊接，也可應用于銅定子線圈的靜態(tài)焊接，突破了銅焊接領域的局限。
銅屬于高電導率金屬，因此它向來是最重要的導電材料之一。銅的電導率與銀幾乎相同，但價格卻遠低于銀，因此在傳統(tǒng)工業(yè)中，幾乎所有的電線以及感應線圈都會使用銅。由于龐大的電子消費市場以及電動汽車的迅猛增長趨勢，銅的價值得到了顯著而飛速的提升。如今它被廣泛應用于移動終端設備上的超扁平電池和其他可充電電池以及電動汽車的發(fā)動機。
與此同時，它在發(fā)電站中的斷路器、有軌車輛的發(fā)動機和一些工業(yè)傳動執(zhí)行裝置中都扮演著不可或缺的角色。由此可見，銅元件從極薄的電線及銅箔到堅固的板材及連接器，都有著相當廣泛的應用。
對焊接技術的高需求
隨著銅在原材料中的地位日益重要，對于高效焊接技術的需求也隨之逐年增長。在電氣工程中，許多元件都由銅制成，在整個使用周期內(nèi)要持續(xù)不斷地承受高強電流。這就要求其連接點具有較高熱穩(wěn)定性，因此焊接是最好的連接方式。在許多案例中，使用藍光激光器焊接，例如Laserline公司的LDMblue系列藍光激光器，加工結(jié)果都令人十分滿意。二極管激光器的優(yōu)勢體現(xiàn)在較高的焊縫容差率、非常穩(wěn)定的熔池等。此外，有色金屬對藍光激光的吸收率很高也是該產(chǎn)品的一大優(yōu)勢。
銅對于工業(yè)中常用的紅外激光在室溫下僅有5%的吸收率，因此難以通過熱傳導方式實現(xiàn)焊接。藍光二極管激光器首次實現(xiàn)了銅的熱傳導焊。因為銅對藍光的高吸收率（>47%），焊接過程中熔化工件表面所需的能量更少。因此，相較于紅外激光，這樣的能量輸入方式更有利于實現(xiàn)熱傳導焊。因此，即便是極薄的銅元件也可以通過藍光二極管實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的焊接，它為銅材料焊接提供了全新的、有趣的加工方式。
重大挑戰(zhàn)——深熔焊
但是對于更厚的銅元件焊接，藍光二極管激光焊接仍存在局限性，因為對于深熔焊來說，形成小孔是必須的。
銅具有良好的熱傳導性，所以需要很高的激光強度才能形成小孔。簡而言之，作用在局部銅工件上的能量會快速向整個工件傳導。使用500W藍光激光器對銅焊接時，焊深可達0.3mm-0.4mm；使用1000W時的焊深約為0.6mm-0.7mm；理論上，焊深會隨著激光功率的提升而增加。目前已有1500W激光器，更高功率的激光器正在研發(fā)中。然而，由于藍光二極管激光器的生產(chǎn)成本高于紅外激光器，針對深熔焊其加工效益比較低。
目前，紅外激光器雖可用于銅的深熔焊，但技術上仍有較多不足，因為銅對紅外激光的吸收率低，需要相當高的能量輸入來熔化和穿透材料，所以工藝過程和最終結(jié)果都不理想。到目前為止，在所有使用紅外激光進行銅深熔焊的實驗中，都觀察到了極其不穩(wěn)定的熔池，這會導致氣孔和飛濺的產(chǎn)生，造成質(zhì)量不合格的焊縫。
藍光和紅外激光的復合焊
如此看來，單獨使用藍光激光或紅外激光都無法在銅的深熔焊中兼顧技術和經(jīng)濟上的優(yōu)勢，這促使Laserline二極管激光專家嘗試另一種方法。不依賴于單一藍光或者紅外激光，Laserline研發(fā)了全新的復合焊。將LDMblue的藍光二極管激光與傳統(tǒng)LDM紅外激光通過特殊聚焦鏡片整合成一束激光（圖1）。其中，直徑1mm的藍光光斑中心覆蓋有直徑0.3mm的紅外光斑（圖2）。當然，兩束激光也可根據(jù)需求分別使用，在加工同一部件時也可分別使用藍光及紅外激光（圖3）。
藍光與紅外激光的復合焊除了LDM型紅外激光器外，也可使用更大型的紅外激光系統(tǒng)（如Laserline LDF），現(xiàn)有的紅外二極管激光器設備均可升級為藍光與紅外激光復合應用。
在焊接過程中，具有高吸收率的藍光激光首先被用于熔化工件表面，中心的紅外激光則用于打開小孔，實現(xiàn)深熔焊。為了使熔池平穩(wěn)并穩(wěn)定整個焊接過程，小孔形成后，藍光激光依舊保持開啟。為了消除銅遠高于平均值的熱傳導率所帶來的影響，使用的紅外激光的輸出功率應高于藍光激光功率的約2到5倍（取決于工藝要求）。
之前的復合焊接實驗中所使用的紅外激光功率為1kW到5kW，仍低于基于純紅外激光的銅焊接所使用的功率。而復合焊過程中所需的藍光功率通常不超過1kW，有時甚至只需500W（焊接更薄的工件），雖然使用500W的純藍光焊接不足以實現(xiàn)深熔焊。即使單純從能量輸入的角度考慮，這種加工方式也顯然更高效。
高焊透深度、高穩(wěn)定性、高焊縫質(zhì)量
如果復合光束不能在焊接方面取得成功，那么這些效率上的優(yōu)勢就沒有多大用處。然而，所有基于這種新方法的試驗證明，復合焊在焊接深度、工藝穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量方面都取得了前所未有的成果。
例如，在1kW藍光及3kW紅外的復合激光以2m/min的速度對1mm和2mm厚度的銅片疊焊試驗中，焊接深度可達到1.45mm。在相同的速度下，將紅外激光功率提高到3.5kW或4kW時，焊接深度可達到1.91mm及2.36mm（圖4-6）。此外，在2mm厚度的銅板拼焊實驗中，使用1kW藍光及3kW的紅外激光，2m/min的速度下，板材完全被焊透。
同時，焊接過程和焊縫表面效果也十分出色：無論是疊焊還是拼焊，都形成了十分平穩(wěn)的熔池，沒有產(chǎn)生明顯的飛濺，焊縫也非常平滑（圖7），并且焊縫邊緣沒有缺陷（圖8）。該工藝正在為實現(xiàn)超過3mm的焊接深度進行進一步的優(yōu)化。
但是目前，紅外激光在銅的深溶焊上仍無法避免飛濺問題和偶爾蒸汽毛細孔的崩塌問題，加工工藝仍不夠穩(wěn)定。為了應對這一挑戰(zhàn)，目前正在進一步從光斑大小、保護氣以及進給速率等因素進行工藝研究。然而，對于3mm以下的焊接現(xiàn)在已相對成熟。此工藝完全穩(wěn)定且適用于批量生產(chǎn)。
銅極耳焊接的成套解決方案
毫無疑問，Laserline的復合焊方案，不僅為傳統(tǒng)板材及更厚材料焊接提供了全新的可能性，也非常適用于電機中定子線圈的焊接。例如，使用5kW紅外激光焊接極耳時，熔池不穩(wěn)定，且會產(chǎn)生大量飛濺，工件冷卻后無法使用（圖9）。
對比持續(xù)300ms的紅外激光，持續(xù)200ms的復合激光能產(chǎn)生示范性的焊接效果，僅有極少的飛濺（圖10、圖11）。通過優(yōu)化焊接工藝，可以進一步穩(wěn)定焊接質(zhì)量。同時，還可以選用脈沖紅外二極管激光器對連接處進行必要的祛涂層處理，其加工結(jié)果也令人滿意：可以均勻祛除涂層，加工速度適用于批量生產(chǎn)（圖12-14）。
例如，對于PE-THEIC-PA涂層材料的祛除，Laserline公司LDFpulse脈沖激光器的祛除速率可達142mm2/s。對于其他材料，其祛除速度甚至可達280mm2/s。因此，二極管激光技術現(xiàn)在為極耳的焊接提供了全新的解決方案。對于復合光束鎖孔焊接的頂部涂層預先祛除，它也是強有力的工具。
結(jié)論
總而言之，最新的技術進步為激光銅焊接領域開辟了新的選擇，拓寬了該領域的邊界。過去無法通過合適的方式來實現(xiàn)的工藝直到最近，才不成問題，并且加工效果非常出色。目前還無法確鑿地預測，在未來幾年，激光銅焊接領域會有怎樣的發(fā)展。針對不同的工藝參數(shù)進行針對性調(diào)整，可以根據(jù)藍光和紅外光復合激光方案創(chuàng)造出新的應用選項，尤其是可以在厚度超過3mm的板材上實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接工藝。
對此，將LDMblue藍光激光系統(tǒng)與極其強大的Laserline LDF系列紅外激光系統(tǒng)相結(jié)合，可以生成非常有意思的組合。LDF系列激光器目前已經(jīng)可以提供高達45kW的標準輸出功率。雖然銅焊接幾乎不會用到這么高的功率，但它表明，復合光束理念可提供很多進一步發(fā)展的機會。這也包括相關工藝領域的應用，比如熔覆，在銅基板上進行銅熔覆，這方面可以開展很有前景的試驗。這是復合光束方案的進一步應用領域，在不久的將來可能會得到更大發(fā)展。
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