深度解析红蓝复合激光在焊接中的应用

      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。

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