视频      在线研讨会
半导体激光器 激光切割 激光器
技术中心
深度解析红蓝复合激光在焊接中的应用
材料来源:高能束加工技术及应用,光纤激光           录入时间:2023/12/25 21:28:37

导读

在电动汽车中使用的电池的制造过程中,铜材料需要进行高速焊接,且无飞溅。通常使用波长接近1000 nm的红外激光器,然而这对于焊接铜材料具有两个主要挑战:低能量吸收率以及工艺的不稳定性。铜材料对红外激光的吸收率会随温度升高而增加。当高功率红外激光照射铜表面时,小孔形成后,铜表面的能量吸收率突然增大;小孔不稳定,容易形成飞溅物。同时由于红外激光器的功率会很大,会使得激光器受到损害。铜材料对蓝色激光的吸收率约为60% ,比IR激光的吸收效率高得多。一些文献中报告了蓝色二极管激光器用于加工铜的可行性。蓝光激光可以高效、高质量地焊接铜箔或铜板。然而,蓝色激光器的成本比近红外激光器的成本高很多,并且最大输出功率限于2000 W。结合红外激光能量吸收率低、工艺不稳定和蓝光激光输出功率低的缺点,我们可以提出一种蓝光-红外复合激光焊接工艺。在该焊接工艺中,我们可以先用吸收率高的蓝色激光熔化母材表面,再用红外激光增加熔池深度。

Yang等人基于实验和数值模拟研究了3 mm厚铜板的近蓝-红外复合激光焊接;首先用低功率蓝光激光加热铜板,然后高功率红外激光照射铜板的高温表面,形成深小孔。Fujio等人开发了一种蓝光-红外激光复合焊接系统,发现了混合激光的焊接效率比红外激光的焊接效率高1.45倍。Kaneko等人使用同轴复合蓝-红外激光器扩大了熔池和小孔,稳定了内部的热对流。在蓝-红外激光复合焊接中,激光能量的吸收不仅会影响焊接过程的稳定性,还会影响设备的使用寿命。如果在蓝色激光照射之后铜表面的温度低,则由铜表面反射的IR激光能量高,这可能损坏激光头。

红蓝复合激光在焊接中的应用

Fujio, S等人研究开发了一套以蓝光半导体激光器为预热光源,单模光纤激光器为焊接光源的复合激光系统。利用该复合激光系统对2.5×3.0×50 mm的铜线进行了焊接试验。图1显示了用高速摄像机在0.1、0.2和0.3秒时捕获的纯铜在(a)复合激光器和(b)单模光纤激光器下的熔化和凝固动力学。在单模光纤激光器的输出功率为1 kW的情况下,铜的熔化从大约0.3秒开始。另一方面,对于输出功率为1 kW的单模光纤激光器和输出功率为200 W的蓝色二极管激光器的混合激光器,铜的熔化从0.2秒开始。因此,如图2所示,在复合激光器中,铜的熔化体积变得比单模光纤激光器大。

因为使用蓝色二极管激光器预热,铜的温度升高至约800 ℃。温度上升会导致铜对光纤激光器的光吸收率局部上升。同时复合激光器比单模光纤激光器获得了更大的铜熔化体积。因此,认为通过蓝色二极管激光器的预热,铜对单模光纤激光器的光吸收率提高,焊接效率提高。

图1. 铜样在0、0.1、0.2和0.3秒条件下的熔化和凝固动力学(a)1 kw单模光纤激光器+200 w蓝色激光器,(b)1 kw单模光纤激光器

图2. 辐射后的铜样品

Wu等人针对厚度为0.5 mm的铜材料,采用同轴复合式蓝光-红外激光焊接工艺,建立了一种新的蓝光-红外激光热源模型,并结合虚拟网格细化方法,对熔池动态行为和激光能量吸收进行了数值模拟。与蓝光激光焊接相比,同轴复合蓝光-红外激光焊接的最高熔化温度和速度波动较大,激光总能量效率较低,但仍能获得良好的焊缝。与红外激光焊接相比,在同轴复合蓝光-红外激光焊接中,蓝光激光提高并稳定了红外激光的能量效率。

在t=0.1 s时,从同轴复合蓝-红外激光焊接情况重新开始具有0 W的蓝激光功率、1400 W的红外激光功率和1.2 m/min的焊接速度的新模拟。如图3(a)所示,仅形成小的熔池。最高熔化温度为1798 K,最大熔化速度为0.11 m/s。如图3(b)所示,在t=0.232 s之后,吸收的红外激光功率和效率分别为190.4 W和13.60%。与红外激光焊接相比,同轴复合蓝光-红外激光焊接的红外激光能量效率提高了16.99%,激光总能量效率提高了165.22%。如图3(c)所示,同轴复合蓝光-红外激光焊接和红外激光焊接中的红外激光效率的标准偏差分别为0.014%和0.215%。可以得出结论,在复合蓝-红外激光焊接中,蓝激光提高并稳定了红外激光的能量效率。

图3. 激光焊接的数值结果

结论

鉴于蓝光的成本以及最大功率的限制和红外激光能量吸收率低、工艺不稳定的缺点,提出了一种蓝光-红光复合激光焊接工艺。通过蓝光的高吸收率预热材料,从而实现对红光的吸收率的上升,同时由于蓝光的功率密度相较与光纤激光较小,可以实现将稳定热导焊与深熔焊相结合,实现高反合金(铝、铜)的高效焊接。

文章来源:高能束加工技术及应用,光纤激光

注:文章版权归原作者所有,本文仅供交流学习之用,如涉及版权等问题,请您告知,我们将及时处理。


上一篇:激光焊接工艺有哪些? 下一篇:激光熔覆工艺深度解析:原理、分类...

版权声明:
《激光世界》网站的一切内容及解释权皆归《激光世界》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《激光世界》杂志社。



激光世界独家专访

 
 
 
友情链接

一步步新技术

洁净室

激光世界

微波杂志

视觉系统设计

化合物半导体

工业AI

半导体芯科技

首页 | 服务条款 | 隐私声明| 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2024: 《激光世界》; All Rights Reserved.