研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的激光對(duì)焊接銅有不同的效果，本文對(duì)1064 nm和532 nm的疊加激光對(duì)銅的焊接進(jìn)行了研究。

摘要: 在1000 nm波長左右的銅焊接過程中，激光能量的吸收不穩(wěn)定。在532 nm波長下，銅對(duì)激光有穩(wěn)定的高吸收。以往的研究表明，小孔焊與熱傳導(dǎo)焊之間的過渡工藝條件使焊接過程變得穩(wěn)定，表面質(zhì)量好、焊深大。為適應(yīng)脈沖Nd:YAG激光焊接銅，對(duì)焊接質(zhì)量和效率進(jìn)行了研究。在熱傳導(dǎo)與小孔焊接過渡工藝條件下進(jìn)行加工。本研究用波長分別為1064 nm和532 nm的疊加激光對(duì)C1020銅試樣進(jìn)行了加工。

通過對(duì)熔液體積的測量和熔珠的分析，闡明了輻照延遲和功率密度對(duì)焊接過程的影響。此外，通過三維有限元分析，研究了熔池和小孔形成的動(dòng)力學(xué)過程。采用適當(dāng)?shù)母吖β拭芏?32 nm激光與較短的輻照延時(shí)疊加，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的激光吸收和增加熔液體積，實(shí)現(xiàn)了銅的高效焊接。

1、背景介紹

隨著航空航天、汽車和電子等行業(yè)的快速發(fā)展，很多部件開始小型化和數(shù)字化。有效的能源利用對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義，而有效的能源利用可通過高效的能源傳輸來實(shí)現(xiàn)。這導(dǎo)致了對(duì)具有優(yōu)良導(dǎo)電性的材料（如銅）的高需求。隨著銅在各種行業(yè)中的使用，各產(chǎn)品的功能需求正在增加。然而，當(dāng)使用常規(guī)連接方法時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷。因各種工藝參數(shù)輸入的能量具有良好的可控性，于是激光焊接成了一種良好的連接方法。然而，由于銅材料反射率和高導(dǎo)熱性，使用激光進(jìn)行銅焊接變得很困難。由于能源利用率高，低熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱性的結(jié)合使得獲得良好的焊接質(zhì)量成為一個(gè)挑戰(zhàn)。

過去的研究表明，當(dāng)使用兩種不同的激光器（如CO2和Nd:YAG激光器）進(jìn)行焊接時(shí)，在相同的工藝參數(shù)下，可以獲得不同幾何形狀的焊接截面。就如Forsman等人所示，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，不同材料在不同波長下的吸收率會(huì)發(fā)生變化，以及不同激光波長之間等離子體吸收的巨大差異。銅吸收綠色和藍(lán)色波長的效率是近紅外波長的十倍以上，維持焊縫所需的能量基本上與啟動(dòng)所需的能量相同。

▲圖1 在室溫條件下不同金屬材料對(duì)不同波長的光的吸收系數(shù)

Zediker等曾使用500W的藍(lán)色激光進(jìn)行銅焊接。該系統(tǒng)允許以90度角進(jìn)行焊接，允許將更高功率耦合到銅材料中。在一項(xiàng)類似的研究中，Silva Sa等人討論了450 nm高功率藍(lán)色激光在銅焊接中的應(yīng)用。在Zediker等和Silva Sa等的兩項(xiàng)研究中，都報(bào)告了藍(lán)色激光的高吸收率。藍(lán)色激光器發(fā)射波長在400nm到480nm之間的光束，而近紅外（NIR）激光器的工作波長在1000nm左右。銅材料以比長激光波長（如1064nm）更高的速率吸收更短的激光波長。藍(lán)色激光在銅表面的吸收率約為65%，而近紅外激光的吸收率約為5%。在激光材料加工的功率級(jí)中，藍(lán)色激光器由半導(dǎo)體疊層組成，其光束通過直徑為幾百微米的光纖傳輸。從光纖振蕩器獲得的近紅外激光器具有較低的光束參數(shù)積（BPP），與藍(lán)色激光器相比，其束腰更小。

▲圖2 藍(lán)光半導(dǎo)體激光的體積加熱熱源和光纖激光的體積加熱熱源的對(duì)比圖

與藍(lán)色激光器相比，近紅外激光器將獲得更高的輸出功率水平，其高強(qiáng)度對(duì)于加工高光反射率的銅等金屬材料是必不可少的。只有采用深熔焊接工藝才能連接厚板，這需要非常高的激光強(qiáng)度，如近紅外激光。盡管藍(lán)色激光的吸收率很高，但焊接厚銅板需要更高的激光功率。此外，對(duì)于藍(lán)色激光器，可能需要組合許多較低功率源的輸出，以實(shí)現(xiàn)特定工藝所需的總功率。與近紅外激光相比，這些缺點(diǎn)使得藍(lán)色激光的處理成本更高。因此，銅加工對(duì)近紅外激光器的要求很高，需要開發(fā)技術(shù)來克服與近紅外激光器相關(guān)的挑戰(zhàn)。

正如Shen等人所引用的那樣，Nd:YAG激光器和光纖激光器是兩種廣泛使用的固態(tài)激光，它們的激光波長位于近紅外區(qū)域。本研究采用波長為532nm的綠色脈沖Nd:YAG激光器和波長為1064nm的脈沖Nd:YAG激光器進(jìn)行銅微焊接。利用非線性光學(xué)（NLO）晶體和諧波分離器將1064nm激光器倍頻，產(chǎn)生綠色激光。

Tadamalle等人討論了激光焊接工藝中工藝參數(shù)的影響。要使激光焊接工藝成功，需要仔細(xì)考慮和選擇工藝參數(shù)。這些參數(shù)包括激光參數(shù)、材料參數(shù)和加工環(huán)境參數(shù)。在所有激光應(yīng)用中起主要作用的最重要參數(shù)之一是激光功率。需要源源不斷向材料提供激光功率。

在具有小焊接體積的激光微焊接中，激光功率的微小變化導(dǎo)致大的焊接變化。對(duì)于脈沖Nd:YAG激光器，通過使用實(shí)時(shí)反饋的功率控制激光器輸出時(shí)間內(nèi)的功率，使兩者保持一致性，能確保輸出脈沖與所需脈沖之間的精確匹配。Steen和Ion表明，高激光功率可產(chǎn)生高有效能量密度，因此可熔化更多材料，從而實(shí)現(xiàn)更深的焊縫熔透。給定激光束的激光強(qiáng)度由單位照射面積內(nèi)的激光功率大小給出。因此，通過更高的功率輸出，或通過將激光束聚焦到較小的光斑尺寸，可以獲得更高的強(qiáng)度。由于焦點(diǎn)較小，材料會(huì)快速加熱，從而導(dǎo)致更快、更深的穿透。

Maina等人利用1064 nmNd:YAG激光進(jìn)行了銅微焊接。他們研究了不同表面狀態(tài)（如表明粗糙度和凹面形狀）對(duì)此的影響，并討論了不同的焊接模式，即小孔焊接模式、熱傳導(dǎo)焊接模式和非熔化焊接模式。結(jié)果表明，當(dāng)1064nm Nd:YAG激光用于銅的微焊接時(shí)，小孔焊接和熱傳導(dǎo)焊接之間需過渡焊接條件。在過渡條件下，工藝可以穩(wěn)定，從而獲得良好的表面質(zhì)量和無孔隙的大穿透深度。過渡加工條件由小孔和熱傳導(dǎo)兩種模式組成。

Bono等人和Engler等人曾使用近紅外激光和綠色激光進(jìn)行銅焊接。值得注意的是，在銅焊接中出現(xiàn)小孔后，近紅外波長激光的吸收率迅速增加，從而導(dǎo)致深熔透。在另一項(xiàng)研究中，Zediker等人使用藍(lán)色激光對(duì)銅進(jìn)行了小孔焊接。這些研究表明，更短波長的激光（如藍(lán)色和綠色激光）即使在小孔形成之前，也能被銅高度吸收。盡管藍(lán)色和綠色激光的吸收率很高，但由于其功率水平低，在深熔焊接中并不顯效，而近紅外激光能以可承受的成本獲得高平均功率。

此外，與高可靠性的近紅外激光系統(tǒng)相比，短波長激光系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴，帶來了經(jīng)濟(jì)效益問題。因此，高功率NIR激光器對(duì)于銅微焊接是必不可少的。實(shí)現(xiàn)銅材料的深熔焊接需要高強(qiáng)度和高平均功率，但為了銅的穩(wěn)定焊接過程，應(yīng)考慮穩(wěn)定點(diǎn)火以提高NIR激光器的吸收率。雖然綠光激光器的平均功率水平較低，但其對(duì)銅的高吸收率和較小的光斑直徑使小孔的形成穩(wěn)定?？梢栽O(shè)想，將近紅外激光與綠色激光相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)銅激光焊接工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。如果將兩種波長結(jié)合起來，并使用綠色激光啟動(dòng)小孔形成，則可以提高工藝效率，并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接。

Stritt等人使用綠光和近紅外波長的調(diào)制脈沖激光對(duì)鋁和銅進(jìn)行了激光連接。他們使用不同的脈沖形狀，但兩次激光照射之間沒有延遲時(shí)間。結(jié)果表明，在外加頻率下，脈沖形狀調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槿鄢卣袷帯?/strong>由于不同脈沖形狀對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)有很大影響，因此，形成了不同的晶粒結(jié)構(gòu)和金屬間相。當(dāng)應(yīng)用熱脈沖形狀時(shí)，不需要對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在相同的頻率下不會(huì)有周期性的熔池移動(dòng)。此外，兩次輻照之間的延遲時(shí)間使得通過控制較短波長的功率密度來討論溫度或表面形狀對(duì)銅材料吸收特性的影響成為可能。

2.材料和方法

2.1.實(shí)驗(yàn)研究

在1.0 nm無氧銅C1020的激光微焊接中，采用了1064nm的脈沖Nd:YAG激光和脈沖綠激光對(duì)厚度為1.0nm的無氧銅C1020進(jìn)行激光微焊接。表1列出了兩個(gè)激光系統(tǒng)的主要規(guī)格。綠色激光系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)置示意圖如圖3所示。這種綠色激光器是通過使用非直瞄晶體和諧波分離器，將直接調(diào)制的1064nmNd:YAG激光器的頻率加倍而產(chǎn)生的。激光系統(tǒng)僅輸出波長為532nm的Nd:YAG激光器的二次諧波。

表1 近紅外和綠色激光系統(tǒng)規(guī)范

▲圖3 脈沖532nm Nd:YAG激光系統(tǒng)的光學(xué)裝置

圖4顯示了1064 nm激光和532 nm激光的疊加設(shè)置，其中使用了數(shù)字示波器和脈沖發(fā)生器。所用示波器的帶寬為150 MHz。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字延遲，并允許最大頻率為10 MHz的精確脈沖。它還允許延遲范圍從0到2000秒，分辨率為5 ps，抖動(dòng)低于25 ps rms。這兩種設(shè)備可有效設(shè)置兩個(gè)激光波長照射期間的輻照延遲時(shí)間。

▲圖4 使用脈沖發(fā)生器和示波器設(shè)置1064 nm激光和532 nm激光的疊加。

當(dāng)532nm激光被照射時(shí)，信號(hào)從振蕩器傳輸?shù)娇刂泼姘?，?strong>圖4所示。然后，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生用于激活1064nm激光振蕩器輻照的信號(hào)。通過使用脈沖發(fā)生器改變時(shí)間來產(chǎn)生輻照延遲。使用示波器監(jiān)測波形和延遲。圖5顯示出了當(dāng)持續(xù)時(shí)間為1.2 ms的532 nm激光脈沖疊加到相同持續(xù)時(shí)間的1064 nm激光脈沖上時(shí)的延遲，沒有延遲時(shí)間且延遲時(shí)間為0.2 ms。證實(shí)了兩個(gè)激光波長的抖動(dòng)差異非常小。因此，無論輻照延遲如何，抖動(dòng)的影響可以忽略。

▲圖5 532 nm和1064 nm激光照射疊加的時(shí)間延遲圖示

圖6顯示了重疊激光軸對(duì)準(zhǔn)的設(shè)置。532nm激光系統(tǒng)的光纖芯徑為100μm。同時(shí)使用f 100 mm的準(zhǔn)直透鏡和f 50 mm的聚焦透鏡。通過調(diào)整1064 nm和532 nm激光器的軸線，可以在試樣的同一點(diǎn)上進(jìn)行輻照。532nm激光的輻照先于1064nm激光的疊加輻照。預(yù)計(jì)對(duì)于不同的激光波長，將獲得不同的聚焦位置。結(jié)果如圖7所示，當(dāng)兩個(gè)不同波長由一個(gè)聚焦透鏡組合時(shí)，波長較短的激光總是導(dǎo)致焦距較短。通常，焦距與波長成正比，波長與折射率成反比。正如Liang等人和Lei和Dang所討論的，焦點(diǎn)長度隨著波長的增加而增加，隨著折射率的增加而減少。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)532nm激光的焦點(diǎn)位置進(jìn)行離焦，以獲得與1064nm激光相同的輻照位置，并為1064nm激光器設(shè)置了30μm的光斑尺寸。然后將532nm激光器的聚焦位置調(diào)整在約3mm的離焦長度內(nèi)，532nm激光器的光斑直徑為200μm。數(shù)值孔徑（N.A.）決定焦點(diǎn)的大小。聚焦光斑直徑與激光波長成正比，與聚焦透鏡的N.A.成反比。在本實(shí)驗(yàn)中，所用光學(xué)元件的N.A.為0.11。

▲圖6 激光軸疊加對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置。

▲圖7 疊加中激光焦距和光斑尺寸差異的圖示。

為了確定疊加532nm激光器的最佳激光參數(shù)設(shè)置，首先僅使用532nm激光器進(jìn)行處理，并闡明峰值功率的影響。在處理過程中使用1.2ms矩形形狀脈沖。使用的峰值功率范圍為0.6千瓦至1.5千瓦。在這種情況下，使用了40μm的激光光斑。通過測量所創(chuàng)建孔的直徑和深度，對(duì)加工后的試樣進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)測量結(jié)果，確定用于疊加的激光參數(shù)設(shè)置為532nm，選擇用于疊加的總功率密度約為1.3 ×108 W/cm2。Maina等人的研究結(jié)果表明，當(dāng)1064 nm激光用于銅微焊接時(shí)，這種功率密度水平導(dǎo)致小孔焊接和熱傳導(dǎo)焊接之間呈現(xiàn)過渡狀態(tài)。在綠光激光器的低功率密度和高功率密度條件下進(jìn)行了疊加實(shí)驗(yàn)。綠光激光器的低功率密度條件被設(shè)置為1.98 ×107 W/ cm2,而高功率密度條件設(shè)置為3.31 ×107 W/cm2.。然而，在所有情況下，兩個(gè)激光器的總功率密度都保持在一個(gè)恒定值。此外，為了闡明疊加中輻照延遲的影響，進(jìn)行了無延遲、短延遲200μs和長延遲600μs的處理。這些參數(shù)設(shè)置的影響通過測量產(chǎn)生的熔融體積和產(chǎn)生的穿透深度來表征。在相同的總功率密度下，與1064nm激光輻照的結(jié)果進(jìn)行了比較。

2.2.溫度場數(shù)值分析方法

正如Semak和Matsunawa(1997)、Dowden(2001)所討論的，用高強(qiáng)度激光輻照金屬材料會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的熱誘導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象，其中包括固體和蒸發(fā)材料中的加熱、熔化、汽化、離解和電離，以及激波。Siwek(2008)、Kazemi和Goldak(2009)以及Rai和DebRoy(2006)的實(shí)驗(yàn)表明，考慮能量守恒定律的前提下，可以通過FEM計(jì)算物體內(nèi)的溫度場。本研究中考慮了三種效應(yīng):表面加熱、熔化和蒸發(fā)。利用非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程建立了三維有限元模型，對(duì)銅激光疊加微焊接過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。采用通用有限元程序ANSYS ' Ver.16.1。通過對(duì)熱過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，Alexiades和Solomon(1993)、 Ling等人(1990)和Yilbas等人(2008)已經(jīng)表明，對(duì)于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，物體內(nèi)部的溫度場是隨時(shí)間變化的。

無論熱輸入的方向如何，各向同性材料通常表現(xiàn)出恒定的導(dǎo)熱性。因此，考慮三維空間中各向同性銅固體，其傅里葉導(dǎo)熱定律如公式(1)所定義，三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程如公式(2)所定義。

x、y和z代表空間變量，T（x、y、z、T）是時(shí)間和空間變量的函數(shù)，?是(?/?x,?/?y,?/?z)的函數(shù) ，T為溫度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，μf為熱流，n?為時(shí)間矢量，Qs為熱源，c為材料比熱容，ρ為材料密度。cρ給出了體積熱容的測量值。還考慮了對(duì)流效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的熱傳遞，詳見公式（3）。

其中，Qc是對(duì)流熱通量，T是固體邊界表面的溫度，T0是環(huán)境空氣的溫度，h是對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖8為本文所采用的有限元模型。仿真模型的幾何形狀為圓柱形，厚度為1mm，直徑為2mm。這些尺寸與實(shí)驗(yàn)工作中所用樣品的尺寸相對(duì)應(yīng)。加工在頂部表面的中心進(jìn)行。試驗(yàn)了不同的網(wǎng)格類型和大小，以確定最佳網(wǎng)格分級(jí)。離熱輸入?yún)^(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域使用課程網(wǎng)格，而在熱輸入?yún)^(qū)周圍使用精密網(wǎng)格。此外，元件尺寸在整個(gè)厚度范圍內(nèi)增大，在靠近頂面處變細(xì)。在建立模型時(shí)，考慮了密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的溫度相關(guān)特性。這些材料屬性的值來自JSTP(2008)文獻(xiàn)。用文獻(xiàn)中的密度和比熱值計(jì)算了銅的焓。圖9顯示了材料密度、熱導(dǎo)率和比熱如何隨溫度變化，而圖10顯示了銅的焓與溫度的關(guān)系。

▲圖8 銅微焊接模擬的有限元模型圖解。

▲圖9 材料密度、熱導(dǎo)率和比熱隨溫度的變化。

▲圖10 銅的焓與溫度的關(guān)系。

在該分析中，初始模型溫度設(shè)置為環(huán)境溫度T0 293 K。對(duì)于未輻照的頂面，熱流是對(duì)流的。傳熱系數(shù)10w/（m 2K）為模型的圓柱形端面設(shè)置了無限邊界溫度。實(shí)驗(yàn)中考慮了1.2ms矩形波形的單次激光照射。532nm激光的光斑直徑為40μm，1064nm激光的光斑直徑為30μm。假設(shè)532nm激光的上表面吸收率為50%，則1064nm激光的上表面吸收率為10%。Okamoto等人對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然而，如Courtois et al.和Fabbro etal.所示，吸收率隨著滲透深度的增加而增加。

所開發(fā)的模型采用體積熱源，Qv和a表面熱源, Q s被應(yīng)用于高斯分布應(yīng)用，如公式（4） 和（5），和圖11所示。累積熱輸入Q根據(jù)公式(6)定義為兩個(gè)熱源的總熱輸入之和。正如Hanbin et al.(2004)所討論的，體積熱源(75%)是跨工件厚度的，而表面熱源(25%)是在工件上表面。

▲圖11 有限元分析中熱流輸入模型的說明。

其中，r為激光光斑半徑，rd為5%光束強(qiáng)度下的激光光斑半徑，Ps為上表面吸收的功率，Pv為鎖孔壁吸收的功率，r0為鎖孔的初始半徑，hd為最大鎖孔深度，rc為當(dāng)前鎖孔半徑，zi為當(dāng)前鎖孔深度。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)使用532nm和1064nm的單個(gè)激光器以及兩個(gè)激光器的疊加進(jìn)行了輻照情況的模擬。使用脈沖持續(xù)時(shí)間為1.2ms的矩形波。表2顯示了分析過程中設(shè)置的參數(shù)。為了模擬FEM模型中的疊加現(xiàn)象，在給定的時(shí)間延遲內(nèi)啟動(dòng)532 nm激光產(chǎn)生的熱流，然后是532 nm激光（剩余脈沖持續(xù)時(shí)間）和1.2 ms脈沖持續(xù)時(shí)間的1064 nm激光的組合熱流。兩種激光器的功率密度與實(shí)驗(yàn)條件相似。有限元模型采用0.1 ms的等步長輸入熱量。因此，每個(gè)脈沖使用12個(gè)步驟。

文章來源：Effects of superposition of 532 nm and 1064 nm wavelengths in copper micro-welding by pulsed Nd:YAG laser,Journal of Materials Processing Technology,Volume 299, January 2022, 117388,https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117388

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