武汉高亮度光纤激光用于铜焊接

红外激光器在处理固体材料时会产生吸收性问题。如果材料通过深熔焊发生了熔化甚至蒸发，其吸收率则会显著增加。固体铜的吸收率小于4%，而铜蒸汽(匙孔深熔焊)的吸收率则高于60%

通过高速视频评估显示，稳定的工艺可在不到1ms的时间内建立。对于连续波(cw)焊接操作而言，这个障碍必须在焊接开始时就予以克服。匙孔焊接工艺建立后，便会提供恒定的高吸收率。而对于脉冲操作则必须在每个脉冲开始时将其克服。

 

焊接所需的高功率密度可以通过使用单模光纤激光器获得。与其他固体激光器相比，这类激光器具有优异的光束质量和聚焦性能。IPG公司能够提供高达10 kW的高功率单模激光器，以及功率超过10 kW的高亮度多模激光器，产品均具有坚固的、已被工业验证的设计。

 

使用这些单模光纤激光器和低阶模高亮度激光器，可以达到高于108W/cm²的功率密度，甚至在几百瓦的功率下也能够实现可靠的耦合。与功率相当的普通多模激光器相比，这些激光器的强度高达五十倍。IPG提供 YLR系列的单模光纤激光器，其功率从100W至1000W不等，并配有19”的紧凑型机架；此外公司还提供功率高达10 kW的YLS系列光纤激光器(图2)。 这两个系列的整体效率都达到40%。

铜焊接工艺的另一个问题是低速焊接时的不稳定性。通常，小于5m/min的焊接速度会面临焊接不稳定的问题，例如飞溅、气孔和不规则焊缝表面。随着焊接速度的加快，这种不稳定性逐渐消失。在5-15m/min的焊速范围，质量达到可接受的水平。焊速高于15m/min的话，产生的焊缝基本没有缺陷(图3)。这意味着最佳的焊接参数介于传统的运动系统(例如机器人)所能达到的极限范围内。

这必须用更高的激光功率来实现。新的工艺研究已表明，工艺稳定性不仅可以通过提高焊接方向的速度，也可通过光束导向镜片的动态位置变化来实现。这种摆动技术使其能够在相对较低的焊速下形成稳定的焊点，并显著降低焊缝深度。

 

通过这种摆动技术，仅使用1kW功率的单模光纤激光器便能实现高达1.5mm焊接深度的高质量铜焊缝。同样的技术也能够应用于高亮度多模激光器。使用一款功率为6kW，光束质量为2 mm mrad的光纤激光器测试后显示，实现了5mm焊缝深度的高质量焊接。

光束的动态控制可以通过传统的扫描振镜或新型的摆动头实现，摆动头结合了经过验证的焊接头与扫描振镜的性能优势。两个振镜能够灵活地使用各种预先编程的图形和形状，例如圆形、线条或“8字形”，以及一定尺寸内可自由编程的图形和形状。其主要优点之一是能使用标准的聚焦镜而不是f-theta场镜可以在较低的焦点偏移水平下承受更高的功率密度，同时，常规的横向气帘和防护窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列摆动焊接头可以在高达1 kHz的摆动频率下工作，并且可轻松集成到各种加工系统中(图4)。这些焊接头可承受的激光功率高达12 kW。该吸收问题可以通过非常高的功率密度来克服，这大大加快了铜的熔化和蒸发速度，并因此增加其吸收性。