消費(fèi)電子和汽車行業(yè)是工業(yè)加工和產(chǎn)品制造中越來(lái)越多地使用銅的重要推動(dòng)力。
隨著電池新技術(shù)的發(fā)展以及電池容量變得更高，對(duì)相應(yīng)連接技術(shù)的需求也逐漸增加。雖然軟焊仍然是用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中低功率應(yīng)用的主要技術(shù)，但在高傳輸電流，或是在接頭高荷載和動(dòng)態(tài)荷載應(yīng)力的情況下，則必須應(yīng)用焊接技術(shù)。電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)尤其推動(dòng)了這一趨勢(shì)，汽車行業(yè)及其供應(yīng)商正在為電力存儲(chǔ)和線路傳輸應(yīng)用等大批量生產(chǎn)作業(yè)尋找堅(jiān)固而高效的工藝。
過(guò)去，由于材料的物理性能，激光技術(shù)在焊接銅和銅合金時(shí)會(huì)受到限制。 如今，高功率和高亮度的光纖激光器的出現(xiàn)一一克服了這些限制，通過(guò)新型和合適的加工技術(shù)，可以在高效的焊接工藝中打造出穩(wěn)定、無(wú)缺陷的接頭。
圖1：通過(guò)高速的光束擺動(dòng)工藝實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的銅焊接
近紅外（NIR）激光器焊接銅的挑戰(zhàn)
激光焊接銅的挑戰(zhàn)與材料的兩個(gè)主要物理性質(zhì)有關(guān)：對(duì)大多數(shù)高功率工業(yè)激光的低吸收率以及工藝過(guò)程中的高導(dǎo)熱性。我們知道銅的吸收率隨著波長(zhǎng)的減小而增加，這意味著可見(jiàn)波段的激光器（例如，波長(zhǎng)為532nm的綠光激光器）用于銅焊接將產(chǎn)生顯著的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于大多數(shù)焊接應(yīng)用所需的功率范圍這些激光器尚不可用或尚未得到工業(yè)驗(yàn)證。
紅外激光器在處理固體材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸收性問(wèn)題。如果材料通過(guò)深熔焊發(fā)生了熔化甚至蒸發(fā)，其吸收率則會(huì)顯著增加。固體銅的吸收率小于4％，而銅蒸汽（匙孔深熔焊）的吸收率則高于60％，參見(jiàn)表1。該吸收問(wèn)題可以通過(guò)非常高的功率密度來(lái)克服，這大大加快了銅的熔化和蒸發(fā)速度，并因此增加其吸收性。
通過(guò)高速視頻評(píng)估顯示，穩(wěn)定的工藝可在不到1ms的時(shí)間內(nèi)建立。對(duì)于連續(xù)波（cw）焊接操作而言，這個(gè)障礙必須在焊接開始時(shí)就予以克服。匙孔焊接工藝建立后，便會(huì)提供恒定的高吸收率。而對(duì)于脈沖操作則必須在每個(gè)脈沖開始時(shí)將其克服。
表1：在不同狀態(tài)下，銅對(duì)近紅外激光輻射的吸收率。
焊接所需的高功率密度可以通過(guò)使用單模光纖激光器獲得。 與其他固體激光器相比，這類激光器具有優(yōu)異的光束質(zhì)量和聚焦性能。IPG公司能夠提供高達(dá)10 kW功率的高功率單模激光器，以及功率超過(guò)10 kW的高亮度多模激光器，產(chǎn)品均具有堅(jiān)固的、已被工業(yè)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。
使用這些單模光纖激光器和低階模高亮度激光器，可以達(dá)到高于108W/cm²的功率密度，甚至在幾百瓦的功率下也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的耦合。與功率相當(dāng)?shù)钠胀ǘ嗄＜す馄飨啾?，這些激光器的強(qiáng)度高達(dá)五十倍（見(jiàn)表2）。IPG提供 YLR系列的單模光纖激光器，其功率從100W至1000 W不等，并配有19”的緊湊型機(jī)架；此外公司還提供功率高達(dá)10 kW的YLS系列光纖激光器（圖2）。 這兩個(gè)系列的整體效率都達(dá)到40％。
表2：激光器的功率密度取決于光斑直徑
圖2：高功率單模光纖激光器：風(fēng)冷機(jī)架式Y(jié)LR-1000-SM （左）以及3kW系統(tǒng)型YLS-3000-SM（右）。
銅焊接工藝的另一個(gè)問(wèn)題是低速焊接時(shí)的不穩(wěn)定性。通常，小于5m/min的焊接速度會(huì)面臨焊接不穩(wěn)定的問(wèn)題，例如飛濺、氣孔和不規(guī)則焊縫表面。隨著焊接速度的加快，這種不穩(wěn)定性逐漸消失，焊接工藝趨向穩(wěn)定。在5-15m/min的焊速范圍，質(zhì)量達(dá)到可接受的水平。焊速高于15m/min的話，產(chǎn)生的焊縫基本沒(méi)有缺陷（圖3）。這意味著最佳的焊接參數(shù)介于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（例如機(jī)器人）所能達(dá)到的極限范圍內(nèi)。此外，焊縫深度隨著焊接速度的增加而減小，而焊縫也變得非常窄。
圖3：加工速度對(duì)焊縫質(zhì)量和焊縫深度的影響
這必須用更高的激光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)更高的系統(tǒng)資金投入。新的工藝研究已表明，這完全可以避免的，工藝穩(wěn)定性不僅可以通過(guò)提高焊接方向的速度，也可以通過(guò)光束導(dǎo)向鏡片的動(dòng)態(tài)位置變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種所謂的擺動(dòng)技術(shù)使其能夠在相對(duì)較低的焊速下形成穩(wěn)定的焊點(diǎn)，并且顯著降低焊縫深度。
通過(guò)這種擺動(dòng)技術(shù)，僅使用1kW功率的單模光纖激光器便能實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.5mm焊接深度的高質(zhì)量銅焊縫。與焊接速度相關(guān)的焊接深度可以得到輕松控制，而不影響焊接質(zhì)量。同樣的技術(shù)也能夠應(yīng)用于高亮度多模激光器。使用一款功率為6kW，光束質(zhì)量為2 mm mrad的光纖激光器測(cè)試后顯示，實(shí)現(xiàn)了5mm焊縫深度的高質(zhì)量焊接。
光束的動(dòng)態(tài)控制可以通過(guò)傳統(tǒng)的掃描振鏡或新型的擺動(dòng)頭實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)頭結(jié)合了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的焊接頭與掃描振鏡的性能優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)振鏡能夠靈活地使用各種預(yù)先編程的圖形和形狀，例如圓形、線條或“8字形”，以及一定尺寸內(nèi)可自由編程的圖形和形狀。其主要優(yōu)點(diǎn)之一是能使用標(biāo)準(zhǔn)的聚焦鏡而不是f-theta場(chǎng)鏡可以在較低的焦點(diǎn)偏移水平下承受更高的功率密度，同時(shí)，常規(guī)的橫向氣簾和防護(hù)窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列擺動(dòng)焊接頭可以在高達(dá)1 kHz的擺動(dòng)頻率下工作，并且可輕松集成到各種加工系統(tǒng)中（圖4）。這些焊接頭可承受的激光功率高達(dá)12 kW。
圖4：IPG 推出的FLW-D30和FLW-D50系列擺動(dòng)焊接頭
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在焊接具有變化的焊接方向的復(fù)雜路徑時(shí)，圓形擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)顯示出最好的結(jié)果。通過(guò)擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)直徑（vc =πD f）可以很容易控制最終的光束速度。在大多數(shù)情況下，用于動(dòng)態(tài)定位圓形光束速度vc的焊接速度矢量vw可忽略不計(jì)，這是因?yàn)楣馐俣冗h(yuǎn)高于焊接速度vw。
提供最佳結(jié)果的頻率設(shè)置取決于光斑尺寸、擺動(dòng)直徑（以及由此得出的圓形光束速度vc）和線性焊接速度。圖5顯示了在恒定的焊接速度、激光功率和頻率，但擺動(dòng)直徑不同的工藝條件下的焊縫表面。光斑尺寸在焦距f = 300mm處約為30μm。激光功率保持為恒定的1kW，而線性焊接速度設(shè)定為1m/min。如果沒(méi)有擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這些參數(shù)將導(dǎo)致非常不穩(wěn)定的工藝，例如：過(guò)熱的熔池和氣孔。
圖5：擺動(dòng)幅度對(duì)焊縫寬度和質(zhì)量的影響
可以看出，隨著擺動(dòng)直徑的增加以及圓形光束速度的相應(yīng)提升，表面質(zhì)量越來(lái)越穩(wěn)定。取決于擺動(dòng)參數(shù)和光斑尺寸，光束和形成的匙孔通常在金屬熔池或在固體和再固化的材料中移動(dòng)。在這兩種情況下，工藝都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。圖6顯示了實(shí)際焊縫表面和模擬的運(yùn)動(dòng)軌跡。每個(gè)單獨(dú)圓形路徑的窄焊縫重疊形成帶有許多重疊圓圈的整體寬焊縫。焊縫表面類似于多個(gè)重疊脈沖的脈沖焊接效果
圖6：銅的擺動(dòng)焊接：?jiǎn)文９馐哪M路徑和實(shí)際路徑; 光斑尺寸d =30μm，振幅為600μm
以下這些焊縫橫截面揭示了該技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：擺動(dòng)直徑可被用于定制焊縫橫截面的形狀。小的擺動(dòng)直徑會(huì)形成激光焊接的典型V形橫截面，而較大的直徑能夠?qū)⒑缚p從V形變?yōu)閁形或非常規(guī)則的矩形（圖7）。如果單位長(zhǎng)度焊縫的能量輸入恒定（E = P vw），則焊縫橫截面幾乎保持不變。這種技術(shù)使其能夠滿足特定應(yīng)用需求對(duì)焊縫橫截面的要求。
圖7：擺動(dòng)幅度對(duì)焊縫橫截面的影響
對(duì)于電氣觸點(diǎn)的疊焊，可以通過(guò)增加接觸面積來(lái)降低電阻，同時(shí)要控制焊接深度和熱輸入。這種控制是必需的，例如用于高功率電池組的電池連接器。在異種材料例如銅和鋁的疊焊中，可以通過(guò)控制焊接深度來(lái)控制材料的稀釋率（熔合比）。通過(guò)下層金屬板的淺層熔融，可以將熔融材料的量減至最小，并且可以通過(guò)控制稀釋率來(lái)減少金屬間化合物。
即使加工頭沒(méi)有發(fā)生任何移動(dòng)，也可以用高頻光束運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)“點(diǎn)”焊。 重疊點(diǎn)焊或用于電機(jī)的扁平接線端部焊接可以通過(guò)小圓形或短線形光束的高重復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。圖8顯示的是通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)焊接工藝被焊接在一起的三個(gè)扁平接線端部的焊縫橫截面。
圖8：三個(gè)扁平銅線的焊接
脈沖，連續(xù)或兩者同時(shí)？
過(guò)去幾年內(nèi)，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾毫秒的長(zhǎng)脈沖光纖激光器被推向市場(chǎng)。它們已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用中取代了傳統(tǒng)的閃光燈泵浦Nd：YAG激光器。這類激光器包括平均功率為250W而峰值功率高達(dá)2.5kW的單模激光器。先前提到了銅的脈沖焊接問(wèn)題，即，重要的是需要克服脈沖開始時(shí)吸收較弱的問(wèn)題，以及隨后由吸收率和熱傳導(dǎo)的突然變化所引起的能量輸入控制，。過(guò)去，這是由適于每個(gè)功率水平和脈寬的特殊脈沖形狀實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)使用單模激光器減小光斑尺寸，可以繞過(guò)吸收率問(wèn)題，但同時(shí)，集中的能量輸入一方面會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生小而弱的焊點(diǎn)，另一方面則會(huì)導(dǎo)致熔體過(guò)熱。這個(gè)問(wèn)題的解決方案和連續(xù)激光器所用的工藝一樣簡(jiǎn)單，可以在準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光器上使用相同的擺動(dòng)技術(shù)。
高頻光束運(yùn)動(dòng)使得激光光束在相對(duì)較短的脈沖時(shí)間內(nèi)移動(dòng)相對(duì)較長(zhǎng)的距離。這意味著在一個(gè)脈沖期間我們實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)連續(xù)焊接，例如，在600Hz擺動(dòng)頻率下的20ms長(zhǎng)的脈沖實(shí)現(xiàn)由十二個(gè)旋轉(zhuǎn)的光束組成的圓形焊點(diǎn)或短線焊。通過(guò)向線性焊縫逐個(gè)添加脈沖能夠使銅焊接具有高焊接質(zhì)量、低平均功率以及相應(yīng)的低投資成本。各個(gè)脈沖之間的凝固和重熔不會(huì)產(chǎn)生諸如氣孔、強(qiáng)烈的飛濺或不均勻的焊透深度等焊接缺陷
擺動(dòng)直徑確定了焊縫尺寸和焊縫深度。圖9顯示的是高速視頻下的線性脈沖焊縫前五個(gè)焊點(diǎn)的靜態(tài)照片。各個(gè)焊點(diǎn)有好的一致性，焊點(diǎn)質(zhì)量和穩(wěn)定性均與材料表面無(wú)關(guān)。除此之外，熱輸入要小得多，因此采用脈沖光纖激光器很容易對(duì)關(guān)鍵電氣元件進(jìn)行焊接。
圖9 ：通過(guò)“擺動(dòng)”脈沖形成脈沖焊縫。激光頻率fp = 10Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間tp = 20ms，擺動(dòng)頻率fw = 600Hz。
總結(jié)
實(shí)驗(yàn)表明，高亮度光纖激光器能夠攻克銅焊接應(yīng)用中的所有已知問(wèn)題。高功率密度可實(shí)現(xiàn)匙孔的瞬時(shí)耦合和形成，即使在1070nm波長(zhǎng)下也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性和高吸收率。通過(guò)高動(dòng)態(tài)的光束擺動(dòng)，焊接過(guò)程非常穩(wěn)定，從而減少或避免氣孔和飛濺現(xiàn)象，最終產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫。為光束擺動(dòng)設(shè)置的工藝參數(shù)能夠使焊接幾何形狀得到可控設(shè)計(jì)，從而在深熔焊工藝中產(chǎn)生非常淺的焊縫。使用長(zhǎng)脈沖準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器，甚至可以在單個(gè)脈沖內(nèi)通過(guò)光束高速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)完成點(diǎn)焊。以這種方式，可以在非常低的平均功率下通過(guò)逐個(gè)增加脈沖來(lái)打造高質(zhì)量的焊縫。
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