直接半導(dǎo)體激光器由光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，在電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)激光輸出。

相比光纖激光器，直接半導(dǎo)體激光器能量更均勻，光斑更接近平頂分布而不是光纖激光器的高斯分布，如圖1。在實(shí)際焊接應(yīng)用中得到的效果比傳統(tǒng)激光器更加優(yōu)越。

表1 直接半導(dǎo)體與光纖激光器的參數(shù)對(duì)比

圖1 直接半導(dǎo)體（左）與光纖激光器（右）光斑對(duì)比圖

以下所述，以凱普林半導(dǎo)體激光器在不同焊接狀態(tài)下的實(shí)際效果為例，分析半導(dǎo)體激光器焊接效果與不同參數(shù)設(shè)置之間的關(guān)系。

焊縫表面形態(tài)和焊縫橫截面形貌

采用半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，典型的焊縫表面形態(tài)如圖 2 所示，半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼時(shí)，表面較不銹鋼的焊縫形貌更寬，魚鱗紋更明顯。另外，焊縫更寬，熱影響區(qū)更大。

圖2 半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫表面

(a)低碳鋼， (b)不銹鋼

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，典型的焊縫橫截面形貌形態(tài)如圖 3 所示。可見半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼及不銹鋼的焊縫橫截面均不同于傳統(tǒng)的“釘子頭”形形貌，為典型的“U”形焊縫橫截面形貌。另外，不銹鋼焊縫橫截面相較于低碳鋼更細(xì)長(zhǎng)，熔寬明顯更窄、熔深略微較深。

圖3 半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫橫截面

(a)低碳鋼， (b)不銹鋼

不同功率下焊縫橫截面形貌

采用半導(dǎo)體激光器、焊接頭75-145145、離焦量0，在不同功率下焊縫橫截面形貌不同。隨著功率的增加，焊縫的深度在增加，同時(shí)，激光器功率增加也會(huì)造成熔寬的增加。

圖4 不同功率下的橫截面圖

焊接速度與熔深、熔寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 熔深熔寬對(duì)隨焊接速度的變化

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫熔深隨焊接速度的變化規(guī)律如圖 5（左）所示?？梢娫摷す夂附觾煞N材料的熔深大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。當(dāng)焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 3.2 mm；當(dāng)焊接速度為 3 m/min 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 1 mm。

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼熔寬隨焊接速度的變化規(guī)律如圖 5（右）所示。該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢(shì)大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不銹鋼。當(dāng)焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，低碳鋼熔寬可達(dá) 3.88 mm，而不銹鋼熔寬僅為 2.78 mm；當(dāng)焊接速度為 3 m/min 時(shí)，低碳鋼熔寬可達(dá)1.6 mm，而不銹鋼熔寬僅為 1 mm。

激光功率與熔深、熔寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 熔深熔寬對(duì)隨功率的變化

固定焊接速度為 0.5 m/min，半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫熔深熔寬隨激光功率的變化規(guī)律如圖 6 所示?？梢婋S著激光功率的增加，該激光焊接兩種材料的熔深也大體相當(dāng)，均隨著激光功率的增加而增加。當(dāng)焊接速度為 0.5 kW 時(shí)，焊接熔深約為 0.7 mm；當(dāng)激光功率為 2 kW 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 2 mm。

該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢(shì)大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不銹鋼。這與固定激光功率，變化焊接速度的規(guī)律是一致的。由于焊縫上表面激光能量輸入大，冷卻速度相對(duì)較慢，焊縫橫截面呈典型的上寬下窄的形貌。其中低碳鋼的熱導(dǎo)率明顯大于不銹鋼，這可能是兩種材料熔寬差異較大的原因。

穿透焊焊縫橫截面

圖7 焊縫橫截面

采用半導(dǎo)體激光焊接 1.5 mm 厚度的不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW 時(shí)，焊接速度低于 0.8 m/min 均能夠焊透板材；當(dāng)焊接速度為 0.5 m/min 時(shí)，激光功率高于 1.8 kW 均可焊穿板材。典型的焊縫橫截面如圖7 所示。

針對(duì)激光功率 2 kW、焊接速度為 0.5 m/min 獲得焊縫橫截面繼續(xù)拋光輻射，并放大 50 倍，測(cè)量焊接接頭的焊縫中心區(qū)域、熔合線和熱影響區(qū)組成，結(jié)果如圖7所示?？梢杂^察到焊縫中心主要以骨架狀等軸晶組織為主，偏離焊縫中心的熔合線附近為垂直于熔池邊界向焊縫中心生長(zhǎng)的柱狀晶組織，由于焊接熱影響，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，形成晶粒尺寸略大的沿軋制方向的晶粒組織。造成焊縫不同區(qū)域組織的差異主要與凝固過程中的溫度梯度大小有關(guān)，在焊縫中心區(qū)域由于冷卻速度較快，熔池中心溫度梯度小，因此形成細(xì)小的等軸枝晶組織，而越靠近熔合線附近，溫度梯度越大，晶粒沿與熔合線方向垂直向焊縫中心生長(zhǎng)，形成略微粗大的柱狀晶組織。

接頭顯微硬度分布

圖8 顯微硬度分布

該圖為上述激光焊接橫截面中心區(qū)域的顯微硬度分布?？梢娔覆牡钠骄@微硬度約為 280 HV，焊縫中心的平均顯微硬度約為 286 HV，焊縫區(qū)域的顯微硬度略高于母材的顯微硬度，熱影響區(qū)平均顯微硬度最低，約為 269 HV。焊縫的顯微硬度并沒有顯著的差異，其接頭沒有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

拉伸試驗(yàn)

圖9 穿透焊縫拉伸形貌與樣品斷口形貌

圖 9（左）為母材和穿透焊接焊縫拉伸形貌?？梢娎鞓悠窋嘤谀覆?，與焊接速度無關(guān)。即焊縫的抗拉強(qiáng)度與母材的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。試樣的抗拉強(qiáng)度最大為 869Mpa，延伸率為 21.83%。

在掃描電鏡下觀察拉伸樣品的斷口形貌，如圖 9（右）所示?？砂l(fā)現(xiàn)斷口由許多細(xì)小的韌窩結(jié)構(gòu)，為典型的韌性斷裂。

焊接速度和效果

使用220 μm的高亮度半導(dǎo)體激光器，比上代產(chǎn)品的焊接速度可提升75%。

圖10 1 mm不銹鋼板的焊接效果@1000 W-220 μm

直接半導(dǎo)體激光器的焊接應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)比較新的應(yīng)用，相對(duì)光纖激光器而言，直接半導(dǎo)體激光器具有光斑質(zhì)量更均勻，焊接效果更好等優(yōu)點(diǎn)，雖然部分厚板無法直接焊接，但在1 mm以內(nèi)的不銹鋼板焊接等領(lǐng)域會(huì)以其更優(yōu)的效果取得更廣泛的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：趙巨云 北京凱普林光電科技股份有限公司 產(chǎn)品線經(jīng)理