雖然光纖激光是焊接的主要激光源，但它們的近紅外(IR)波長(zhǎng)輸出會(huì)被某些金屬(尤其是銅)高度反射，這限制了它們對(duì)這些材料的有效加工性。因此，高功率固態(tài)綠光激光已成為銅焊接的一種可能替代方案，因?yàn)檫@些波長(zhǎng)更容易被該金屬吸收。但是，這些綠光激光有多種實(shí)際限制，最終導(dǎo)致了更高的使用成本。
本文介紹了最近使用具有高亮度中心光束的新型可調(diào)環(huán)形模態(tài) (ARM) 光纖激光成功執(zhí)行的銅焊接測(cè)試的結(jié)果。與市售千瓦級(jí)綠光激光相比，高亮度 ARM 激光在這些測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了出色的焊接質(zhì)量，并在各種焊接速度下具有更好的滲透效果。這些結(jié)果顯示，這項(xiàng)技術(shù)可以為要求嚴(yán)苛的銅焊接任務(wù)帶來(lái)光纖激光的低成本、可靠性和實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)。
電動(dòng)車制造
電動(dòng)車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展是推動(dòng)銅焊接解決方案需求顯著增長(zhǎng)的主要因素。與其他金屬相比，銅具有許多理想的電氣、熱、機(jī)械和成本特性，這就是它在電動(dòng)汽車中廣泛使用的原因(用于電動(dòng)馬達(dá)的定子、電池、以及配電系統(tǒng)即總線等)。而且，其中許多部件和系統(tǒng)的制造都涉及銅焊接。
不過(guò)，雖然高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性特性可以讓銅成為這些應(yīng)用的理想選擇，但同樣會(huì)給使用傳統(tǒng)光纖激光進(jìn)行焊接帶來(lái)挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，它的電子特性使其在光纖激光的近紅外波長(zhǎng)時(shí)具有高反射性。此外，它具有出色的導(dǎo)熱性，因此需要輸入大量激光能量才能熔化材料并開(kāi)始焊接過(guò)程。
因此，在使用傳統(tǒng)光纖激光時(shí)，通常需要非常高的功率才能達(dá)到開(kāi)始熔化材料所需的功率密度。但是，這種“蠻力”方法會(huì)使焊接過(guò)程變得不穩(wěn)定，并且對(duì)工作表面的微小變化極為敏感。特別是，存在的局部表面氧化或小規(guī)模表面結(jié)構(gòu)不均勻性會(huì)導(dǎo)致過(guò)程不穩(wěn)定。最終可能會(huì)得到不一致的焊縫、很差的表面質(zhì)量和孔隙度。而且噴濺現(xiàn)象也普遍存在，導(dǎo)致費(fèi)時(shí)的后處理程序或良率下降。
固態(tài)綠光激光
銅的綠光吸收率比近紅外光吸收率高出近一個(gè)級(jí)數(shù)，但是，在室溫下才如此。來(lái)自綠光激光的能量可以更有效地耦合到工件中，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)光纖激光更穩(wěn)定且更不敏感的過(guò)程。因此，一些制造商正在使用高功率固態(tài)綠光激光，而更多制造商正在對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。
不過(guò)，在電動(dòng)汽車制造中部署高功率綠光激光存在一些重大的實(shí)際問(wèn)題。一些問(wèn)題源于這些綠光激光本身的固有特性和結(jié)構(gòu)。
可由近紅外光的激光使用倍頻功能將紅外光轉(zhuǎn)換為綠光輸出，產(chǎn)生固態(tài)綠光光纖激光或碟形激光。雖然該技術(shù)在低功率(低于千瓦級(jí))應(yīng)用中廣泛采用，但在大多數(shù)工業(yè)銅焊接任務(wù)需要千瓦功率水平上，它開(kāi)始遇到一些困難。具體來(lái)說(shuō)，倍頻過(guò)程本身的效率只有 50% 左右。因此，需要 4 kW 單模紅外激光才能產(chǎn)生 2 kW 的綠光輸出功率。未轉(zhuǎn)換的能量將變?yōu)闊崃?，必須通過(guò)水冷散熱器移除。這使得這些激光的能源效率低下(更高的電力消耗導(dǎo)致更高的運(yùn)行成本)，并且需要大量的冷卻水。此外，由于使用高功率，倍頻晶體會(huì)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生退化，如果沒(méi)有隨時(shí)監(jiān)看，可能會(huì)產(chǎn)生可靠性和停機(jī)問(wèn)題。一些設(shè)計(jì)利用復(fù)雜的光束偏移器和晶體溫度穩(wěn)定器對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。
“…需要 4 kW 單模紅外激光才能產(chǎn)生 2 kW 的綠光輸出功率?！?/span>
綠光激光的另一個(gè)實(shí)際問(wèn)題是用于光束傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)光纖更容易因綠光而變暗，從而縮短其有效使用壽命。用于綠光的專用光纖可以克服這個(gè)問(wèn)題，但價(jià)格更高且不易獲得。變暗效果還隨著光纖長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)。由于這一問(wèn)題，目前的光纖長(zhǎng)度不能超過(guò) 10 m，這降低了激光在生產(chǎn)環(huán)境中的布置靈活性。此外，市售的綠光高功率連續(xù)波激光的輸出功率上限目前限制為 2 kW。
大多數(shù)工業(yè)激光均輸出近紅外光，因此支持它們的整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施都基于此波長(zhǎng)。例如，綠光激光加工頭的可用選擇有限，并且通常需要訂制。同樣，輔助透鏡、保護(hù)罩玻璃等光學(xué)元件也多用于紅外激光。因此，已經(jīng)使用紅外激光的制造商可能需要保留更多的備品和消耗品庫(kù)存，以便在其操作中適應(yīng)綠光激光的使用，而不會(huì)出現(xiàn)服務(wù)延遲和停機(jī)。
HighLight? ARM 光纖激光
光纖激光的電效率比固態(tài)綠光激光高得多。也就是說(shuō)，為了提供額定的輸出功率，它們需要更少的電力并產(chǎn)生更少的廢熱。這降低了使用成本并簡(jiǎn)化了冷卻。另外，光纖激光非?？煽俊６?，它們的紅外光輸出可實(shí)時(shí)通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。但是，由于前面所述的問(wèn)題，盡管有這些理想特性，它們并沒(méi)有被廣泛用于銅焊接。
高功率光纖激光已成功用于汽車生產(chǎn)一段時(shí)間，但現(xiàn)在生產(chǎn)線上支援電動(dòng)車和輕量化的最棘手的焊接技術(shù)需要的不僅僅是基本能量和高功率。盡管實(shí)際上有相當(dāng)多樣的不同單一應(yīng)用程序，但其中大多數(shù)通常包含了：
? 非常薄或熱敏感的材料;
? 鋁、銅和高強(qiáng)度鋼等“難”焊接材料;
? 不同材料的結(jié)合。
為了完成這些更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，激光必須提供兩種主要功能。首先是足夠的能量來(lái)支援必要的產(chǎn)出率。在處理較厚的部件時(shí)，還需要高功率來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠的材料穿透率。第二個(gè)是精確控制激光功率在工作表面分布方式的能力——無(wú)論是在單位面積能量密度上還是單位時(shí)間的能量密度。
Coherent 幾年前推出了 HighLight 系列可調(diào)環(huán)形模態(tài) (ARM) 光纖激光，已將這些光源的成本和實(shí)用優(yōu)勢(shì)引入傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法充分解決的應(yīng)用。通常，在這些任務(wù)中必須仔細(xì)控制工作表面的功率空間分布和功率密度，以產(chǎn)生良好的焊接質(zhì)量(減少飛濺、顯著減少裂紋并降低孔隙率)。典型示例包括鍍鋅鋼板的零間隙焊接、動(dòng)力總成部件的低飛濺焊接以及在不使用填充焊絲的情況下無(wú)裂紋鋁制懸掛部件的焊接。
空間功率分布的這種精確控制是通過(guò) ARM 激光的獨(dú)特輸出光束實(shí)現(xiàn)的，該光束包含一個(gè)中心光斑，周圍是另一個(gè)同心環(huán)形光束。中心和環(huán)形光束的功率可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整和訂制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)的精細(xì)控制。
Coherent 的 HighLight ARM 激光可提供不同的中心/環(huán)形光束比率和功率水平，最大功率高達(dá) 10 kW，可針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行訂制。中心的直徑可配置為 22 μm 至 100 μm，環(huán)形光束外徑可配置為 140 μm 至 200 μm。這足以執(zhí)行幾乎所有更關(guān)鍵的焊接任務(wù)在足夠的產(chǎn)出量。事實(shí)上，大多數(shù)最精細(xì)和最嚴(yán)苛的條件通常使用不到一半的能量。
對(duì)于銅焊接，需要高強(qiáng)度、高能量密度的中心光束。這提供了輕松熔化材料所需的能量，盡管它的吸收系數(shù)相對(duì)較低，一旦銅被加熱它就會(huì)很好地吸收紅外線，在環(huán)形光束加熱材料直到它融化，接下來(lái)，一個(gè)大功率的中心光束來(lái)建立 Keyhole，在焊接過(guò)程中，環(huán)形光束保持了一些功率，這穩(wěn)定了 Keyhole 使其不那么湍流和混亂，大量減少了飛濺。然后，IR 較低的吸收率實(shí)際上成為一個(gè)優(yōu)勢(shì)，一旦建立了 Keyhole，它就會(huì)變得更容易穿透，從而更容易焊接較厚的底材。結(jié)果是，無(wú)論工件的表面變化如何或上下材料的厚度差異多少，都可以從激光起始點(diǎn)開(kāi)始始終如一地維持焊接質(zhì)量，以創(chuàng)造一個(gè)干凈、均勻的焊接質(zhì)量，減少大量的噴濺，從而克服傳統(tǒng)光纖激光的局限性。
這種相同的能力可以根據(jù)材料制訂加熱曲線 (Temperature profile)，以最大限度地提高Keyhole 的穩(wěn)定性和一致性，包括在焊縫兩邊末端，在焊接其他困難材料(如鋁和鍍鋅鋼)時(shí)具有類似的好處。而且，它可以對(duì)薄、細(xì)或熱敏材料進(jìn)行高精度焊接。
“對(duì)于銅焊接，需要高強(qiáng)度、高功率的中心光束?！?/strong>
圖 1：HighLight FL4000CSM-ARM 光纖激光設(shè)備
銅焊接結(jié)果
Coherent應(yīng)用工程師使用 ARM 激光進(jìn)行了一系列銅焊接測(cè)試，該激光具有直徑為 22 μm 的高亮度中心光束和內(nèi)徑/外徑為 100 μm/170 μm 的環(huán)形光束。使用放大倍率為1.4 的遠(yuǎn)端加工頭聚焦激光，并使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體和橫向射流。焊接的材料是純銅。所有測(cè)試的激光功率均為 4 kW，中心為 1.5 kW，環(huán)形光束為 2.5 kW。照片(圖 2)顯示了實(shí)驗(yàn)裝置。
通過(guò)改變焦點(diǎn)位置，最后確定焦點(diǎn)設(shè)置到材料表面上方 1.5 mm 時(shí)的焊接質(zhì)量最好。具體來(lái)說(shuō)，此位置是焊透深度和焊接質(zhì)量之間的適宜折衷。如果直接聚焦在材料表面上，ARM 激光會(huì)產(chǎn)生更深的焊透深度，但由此產(chǎn)生的焊縫表面質(zhì)量和飛濺對(duì)于典型的電動(dòng)車應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不夠的。使用適宜光束焦點(diǎn)位置(表面上方 1.5 mm)時(shí)，工作表面上的光束輪廓如圖所示。
“ARM (IR) 激光提供 2 倍的焊透深度”
圖 2：配備掃描頭和屏蔽噴嘴的高亮度 ARM 光纖激光焊接站
圖中描繪了剛才所述條件下厚度為 2 mm 的銅焊透深度與速度的關(guān)系。為了進(jìn)行比較，還在相同條件下測(cè)試了 2 kW 綠光激光。因?yàn)?4 kW 紅外光纖激光僅產(chǎn)生 2 kW 的綠光輸出，因此使用了較低的綠光功率。比較結(jié)果表明，紅外 ARM 激光在不同焊接速度下可得到兩倍的焊透深度。
圖 3： 激光聚焦在工作表面上方 1.5 mm 時(shí) ARM 在工作表面的光束輪廓(中心1.5 kW，環(huán) 2.5 kW)
圖 4：與 2 kW 綠光光纖激光相比，4 kW 高亮度 ARM 的焊透深度
焊接效率
還測(cè)量了 ARM 激光的焊接效率，并與之前公布的 2 kW 綠光激光的焊接結(jié)果進(jìn)行了比較。兩個(gè)焊縫均使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。綠光激光的公布資料顯示了 0.5 mm2 的(恒定)焊縫橫截面，焊透深度約為 1 mm。ARM 激光配置為提供這些相同結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，這需要 3.5 kW 的輸出功率和 300 mm/s 的焊接速度，相比而言，2 kW 綠光激光的焊接速度為 200 mm/s。對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分析后，得到的 ARM 激光線性激光功率為10 J/mm，相比之下，綠光激光的線性激光功率為 11.8 J/mm。因此，綠光激光的焊接效率略高。不過(guò)，盡管效率存在這一微小差異，但 ARM 激光提供的總功率更高，因此能夠以高得多的焊接速度工作。
表面質(zhì)量
另一個(gè)重要的考慮因素是表面質(zhì)量。傳統(tǒng)光纖激光能夠焊接銅，但對(duì)表面質(zhì)量的變化非常敏感。照片顯示了高亮度 ARM 激光在噴砂和拋光銅表面上焊接的焊道。該技術(shù)在兩個(gè)表面上都保持穩(wěn)定，焊接質(zhì)量沒(méi)有變化。
圖 5：輸出功率為 3.5 kW、焊接速度為 300 mm/s 的高亮度紅外 ARM 激光產(chǎn)生的銅焊縫橫截面
圖 6：光滑和噴砂銅表面上使用 4 kW ARM 激光以不同速度(從上到下 300-150 mm/s)得到的一致焊道
結(jié) 論
這些測(cè)試表明，Coherent 獨(dú)特的高亮度 ARM 激光是電動(dòng)車中要求嚴(yán)苛的銅焊接應(yīng)用的實(shí)用解決方案。焊透深度和加工速度符合或超過(guò)當(dāng)前的生產(chǎn)要求。過(guò)去，對(duì)表面品質(zhì)敏感和過(guò)程不穩(wěn)定問(wèn)題限制了光纖激光銅焊接中的使用，ARM 激光避免了這些問(wèn)題。這種新型 ARM 激光具有成本低、可靠性和實(shí)用優(yōu)勢(shì)，使得光纖激光成為許多工業(yè)應(yīng)用的首選，并最終將所有這些優(yōu)勢(shì)引入到了要求嚴(yán)苛的銅焊接任務(wù)中。
來(lái)源：激光制造網(wǎng)