铜的可再生激光焊接工艺

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激光材料加工铜的先决条件是聚焦激光辐射和铜表面之间的直接互相作用，铜表面需要吸收辐射的一部分。如图1所示，在室温下，抛光铜表面只能吸收不到5%的激光辐射（当激光波长为1μm时)。尽管如此，可以采取一系列措施来有效地进行铜焊，特别是使用固体或光纤激光器。
第一个措施是涂层使用表面吸收力更强的金属，如镍或铬，以及对表面进行机械准备，例如，粗加工或涂漆也能增加吸收能力。然而，这两种措施会增加生产成本，因为它们需要额外的加工步骤。铜里面的化学杂质也可以影响吸收行为，使其更难以实现可再生焊接工艺。从吸收曲线可以看出，缩短激光波长将是一个优势。例如，半导体激光器（0.8到1μm，红光）或频率翻倍的Nd:YAG激光器（532nm，绿光）可以提供这些波长的光，尽管这些激光尚未达到铜工业可行的阶段。在激光辐射入射点的加热快慢取决于吸收的程度，过热的风险和飞溅形成变得不可预测。对点焊来说，重现性差的问题比缝焊更加明显。每个激光脉冲冲击冷铜材料会经历不同的初始条件。然而，由于吸收不仅取决于波长和表面特征，还取决于材料温度（温度升高时，吸收也显著提高）和激光辐射的强度，使得提高焊接工艺还有额外的空间。


覆盖两种波长
将532nm波长的激光脉冲覆盖到1μm波长的激光脉冲上能显著改善铜焊中经常遇到的重现性差的问题。如果两个激光束使用相同的上色补偿透镜进行聚焦，它通常会导致铜表面从焊接位置的中心到边缘加热。这是由于绿光波长更好的吸收特性，从而提高铜的温度，最终提高两个波长的吸收能力。当吸收率增加后，表面特征的差异就没那么大的影响。例如，如果一个激光束由15%绿光和85%红光组成，两种波长的不同初始吸收能力也考虑在内，大约相同能量的绿色和红外辐射会被吸收（在室温下）。图2显示在300μm厚的铜片上进行纯红外焊接（约1MW/cm2）、纯绿光焊接（约1MW/cm2）以及两种波长的组合焊接的结果。理论上，两种波长的光斑尺寸大约都是200μm。当使用纯红外脉冲时，没有观察到熔化的铜表面，当使用纯绿色脉冲时，可以看到一些熔化，而将两种脉冲进行覆盖时，会导致焊缝池明显增大。

工艺细节
选择一个适当的红外脉冲形式可以让相对的绿光部分（比如转换效率）进行调整。图3显示了一个典型的红外脉冲形式和由此产生的绿色转换。激光脉冲可以分成三个阶段，后面将更详细地描述。在激光脉冲的开始阶段（0.5到1ms），将有意设置脉冲强度以确保频率翻倍的红外辐射的比例最高。红外和绿色辐射的组合将加热铜表面，直到红光的吸收能力足够高，铜表面开始熔化。在熔化阶段，典型的脉冲功率值在0.5和2.0kW之间，具体数据取决于铜片的厚度。一旦铜开始熔化，脉冲功率急剧减少。尽管这意味着接下来只能转换很少的绿光，但在熔化阶段，红光的吸收足够高。从这一点开始，将只继续使用红光进行焊接（绿色分量可以忽略不计）。焊接阶段的持续时间取决于焊接点的范围和深度。当脉冲结束时，使用定义的时间恒定量来降低功率，从而对焊接的冷却阶段产生积极影响，也就是其冶金和力学性能（例如硬度）。

与纯红外焊接的比较
图4显示了纯红外焊接和红外加绿激光焊接的对比。脉冲持续时间大约是1ms，没有使用脉冲整形（矩形脉冲）。在图中上半部分的焊接点是用脉冲功率为0.8kW的红外脉冲形成的，而图的下半部分的焊接点是由1kW红外激光和0.1kW绿激光创建的。正如预期的那样，纯红外焊接的再现性很差，直径波动显，甚至可以观察到焊接点丢失。而红外和绿激光混合焊的再现性要好得多。没有识别到缺陷。图4的插图显示了一系列使用图3描述的脉冲形式创建的焊接点。通过使用这种方法创建的焊接点看起来几乎相同。一个更精确的分析表明，焊接光斑的直径变化远远低于10%，并且实现了从铜带到基材100%全焊透焊接。例如，这一数据就符合医学应用的严格规范。

效能考虑
在一个更深入的调查研究中，纯红外、纯绿光和两种光辐射混合的消融阀值强度都得以确定和比较。表格1概述了被测量的消融阀值强度。其中纯绿光辐射的强度最低，频率转换对流程效率有着很大的限制。但是，如果用光辐射混合来替代纯红外辐射，在相同的激光效率下，消融阀值实际上将减半，从而提升流程效率。

工业应用示例
LasagSLSGX1500激光器配备有GreenMix专利技术。和其它工业绿光激光概念不同，这一解决方案仅使用一个激光源，这自然减少了系统的投资成本。两种波长利用光学纤维和专用加工头传送至铜材表面。图表2总结了GreenMix激光器的技术规格。

使用GreenMix激光器可以解决多种工业应用。目前这一激光器的工作范围限制在300μm尺寸以内的组件。图5概述了这一激光对于不同节点形式的工作范围。研发部门正致力于突破这一工作范围的限制，实现对于0.5mm及更大尺寸组件的加工。

现实中，这一激光器的典型应用包括：医学应用中的带式接合（例如起搏器）；引线键合（例如散热片上的引线框）以及电子行业和移动设备的导线分离，还有光伏行业中太阳能组件的连接（例如柔性太阳电池）。
总结
本文概述了显著提高激光焊接铜材再现性的方法。使用智能脉冲成形的红外和绿光的组合，不仅提高了焊接的再现性，还大大增加了流程效率。