基于混合激光系統(tǒng)的自動化激光微焊接技術(shù)及應用

董良新

（煙臺汽車工程職業(yè)學院，山東 煙臺265500）

1 問題描述

YAG激光器通過光纖可以傳輸高質(zhì)量的激光束，具備低成本和高可靠性等優(yōu)點，廣泛運用于制造行業(yè)，如各種激光加工、焊接、切割、鉆孔、退火、劃線等。在加工時，YAG激光器吸收連續(xù)的固態(tài)激光波，能夠提高效率和延長脈沖源的壽命。相比其他的激光器，YAG激光器能量具有光束質(zhì)量高、轉(zhuǎn)換效率高（低能量消耗）、壽命長等特點，能量消耗小，使用壽命長10～20倍。但是YAG激光器有一個缺點，即脈沖操作是有限的，因為在振蕩中往往會發(fā)生非線性現(xiàn)象。目前許多用于鋁合金微焊接的脈沖YAG激光發(fā)射器仍然是弧光燈，弧光燈泵浦激光器對于總能量輸入的處理效率非常低，電光轉(zhuǎn)換效率約是3%，而鋁合金對激光束的吸收率（波長1 064 nm）約為5%。因此，通過改善激光發(fā)射源獲得高峰值的激光束和足夠穿透深度的做法是非常有必要的。隨著半導體技術(shù)的快速發(fā)展，LD技術(shù)同樣在激光焊接中得到運用。但是LD泵浦激光器的脈沖操作存在縮短其壽命的風險，并且?guī)沓跏汲杀竞瓦\行成本增加的問題。在此研究了如何將這些能源有效地利用，以及提高焊接質(zhì)量和降低成本。

在此研究了一種適用于鋁合金焊接的新型混合激光器。使用二極管激光和YAG激光混合動力的系統(tǒng)脈沖，提高高脈沖下的循環(huán)轉(zhuǎn)換效率，解決了上述問題。YAG激光器和激光二極管連續(xù)分別發(fā)射1 064 nm和808 nm的脈沖激光疊加，并通過單一的光纖傳送，從而使鋁合金能夠吸收更多的激光能量。使用該激光器進行了鋁合金焊接試驗，計算分析鋁合金的吸收率、溫度隨時間的變化規(guī)律，并對新研制系統(tǒng)的混合性能進行評估。

2 混合型激光系統(tǒng)

2.1 發(fā)展背景

由于鋁合金是高反射率和高導熱性的材料，采用YAG激光高速脈沖難以精確和穩(wěn)定地完成鋁合金的焊接。為了提高焊接質(zhì)量，研究了混合激光系統(tǒng)，其中鋰離子電池中的混合型激光微焊接處理是眾多運用例子的一種，獲得的鋰離子電池焊縫質(zhì)量好，可以減少對自熱環(huán)境的污染。

2.2 二極管激光器

為了獲得高峰值激光脈沖，開發(fā)了可以發(fā)射振蕩脈沖的二極管激光器。這種二極管激光器在一般情況下的電—光轉(zhuǎn)換效率是18%～26%，如圖1所示，而使用弧光燈泵浦YAG激光器電—光轉(zhuǎn)換效率是2%～3%。二極管激光器壽命如圖2所示，其壽命能夠達到20 000 h。

2.3 連續(xù)疊加的二極管光束和脈沖YAG激光器

金屬材料對較小波長的光吸收率如圖3所示，其中鋁吸收率最高值的光波長為800～850 nm。通過分析，分別使用波長為808 nm的連續(xù)二極管脈沖和波長為1 064 nm的混合脈沖，照射到相同的處理點。由圖3可知，二極管激光器的吸收率（約15%）是YAG激光器吸收率（約5%）的3倍。受激光脈沖發(fā)射的頻率限制，隨著快速加熱和冷卻循環(huán)，在焊縫熔合區(qū)易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。但使用連續(xù)LD激光照射能夠?qū)缚p進行預熱、焊后緩冷，達到減少焊接缺陷的目的。還可以提高焊接效率和焊接質(zhì)量（焊道寬度、熔深、表面美觀度）。

圖1 電輸出功率變換效率

圖2 某種條件下的壽命測試

圖3 鋁和其他金屬的吸收率

2.4 試驗步驟

試驗裝置示意如圖4所示。使用的Nd：YAG激光器和連續(xù)LD參數(shù)如表1所示。Nd：YAG激光束和連續(xù)LD束脈沖疊加在相同的光軸上，兩種波長的激光束經(jīng)光纖加工頭后重疊。試驗試件材料選用A3003鋁合金，將規(guī)格為φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管型板材嵌合并壓入φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管狀板材內(nèi)部。

圖4 試驗裝置示意

表1 YAG激光器和連續(xù)LD脈沖規(guī)格參數(shù)

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 連續(xù)LD激光的影響

試驗結(jié)果是在有限元程序熱分析基礎(chǔ)上得到的，一般的有限元程序ANSYS可以在不穩(wěn)定狀態(tài)下進行數(shù)值分析。獲得的焊縫寬度和焊縫斷面熔深如圖5所示。雖然使用的二極管的激光功率只有脈沖Nd：YAG激光器的1.2%，但是焊道寬度還是增加了14%，熔深增加了141%。由圖6可知，在Nd：YAG激光器照射下，試件表面溫度約為200 K，而在其與連續(xù)LD疊加的情況下，試樣表面的溫度保持在約500 K，使工件表面溫度更容易上升到母材的熔點900 K。由此可知，由于LD激光的疊加，在高溫下YAG激光能夠被鋁合金有效吸收。

3.2 鋁電池殼焊接

通過改變連續(xù)LD激光輸出功率，進行了鋁合金電池殼對接焊試驗。圖7、圖8分別為在功率處理速度20 mm/s和35 mm/s連續(xù)LD激光照射情況下，焊縫寬度和熔深的變化情況。對比可知，焊縫寬度和熔深隨著連續(xù)LD激光輸出功率的提高而大大增加。在另一方面，在傳統(tǒng)的弧光燈泵浦YAG激光器的系統(tǒng)中，其處理速度只有15～20 mm/s。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)30～40 mm/s的處理速度，這是弧光燈泵浦YAG激光器速度的兩倍。

圖5 焊縫結(jié)果對比

4 結(jié)論

混合動力系統(tǒng)激光器能夠疊加兩個激光束，將其傳送至一個激光頭上；母材表面在疊加的激光束下，焊接過程中可以保持在較高的溫度，其對光的吸收率較高；相比傳統(tǒng)的弧光燈泵浦YAG激光器，使用混合動力系統(tǒng)的激光器，獲得的焊縫寬度和熔深分別增加14%和141%；該混合系統(tǒng)即使在較高的脈沖條件下重復操作，也能夠高效率、高質(zhì)量的完成鋁的焊接。

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圖6 試件表面溫度對比

圖7 焊縫寬度隨LD功率的變化

圖8 焊縫熔深隨LD功率的變化

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