近紅外光纖激光與藍光半導體激光焊接紫銅工藝對比研究

李志敏，劉志強

近紅外光纖激光與藍光半導體激光焊接紫銅工藝對比研究

李志敏1，劉志強2

（1.許昌電氣職業(yè)學院，河南 許昌 461000；2.許昌職業(yè)技術學院，河南 許昌 461000）

提高紫銅激光焊接接頭的力學性能，并分析激光工藝參數(shù)對焊縫外觀及焊縫微觀組織的影響規(guī)律。分別對藍光半導體激光與近紅外光纖激光焊接紫銅的工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，采用光學顯微鏡觀察焊縫的外觀形貌，采用拉力機測試焊縫的抗拉強度，采用金相顯微鏡觀察和分析焊縫的微觀組織。當采用近紅外光纖激光進行焊接時，功率為2 000 W，焊接速度為20 mm/s，焊縫抗拉強度為156 MPa。當采用藍光半導體激光進行焊接時，功率為500 W，焊接速度為20 mm/s，焊縫抗拉強度為246 MPa，達到母材抗拉強度的80%。由于銅對藍光波長的吸收率較高，當采用藍光半導體激光進行焊接時，熱量輸入較低，焊縫的變形相對較小，并且焊縫中心各個方向上的溫度梯度相同，容易形成等軸晶，有利于力學性能的提高。

紫銅激光焊接；工藝參數(shù)優(yōu)化；對比研究；抗拉強度；微觀組織

紫銅材料具有優(yōu)良的導電性和導熱性，在電線電纜和精密電子等領域有著非常廣泛的應用前景[1-4]。隨著新能源汽車技術的發(fā)展，紫銅在電池蓋板及電芯焊接方面的應用越來越多。紫銅的焊接質量將直接影響整個電芯的性能，要求焊接過程中不能有飛濺[5]，同時焊接變形量不能太大，否則將影響產品的裝配。

激光焊接具有熱輸入低、熱變形小等優(yōu)點[6-18]，在不銹鋼、鋁合金等材料方面得到了廣泛應用。紫銅材料對近紅外波長的激光吸收率較低，需要較高的激光功率才能實現(xiàn)焊接[19-23]，但是較高的功率輸入容易導致焊縫變形，影響產品的裝配。紫銅對藍光或者綠光的吸收率相對較高，藍光半導體激光器為紫銅材料的激光焊接提供了可能，Zediker等[24]采用500 W藍光半導體激光（波長450 nm）對厚度1 mm的銅進行焊接，獲得了質量較好的焊接接頭。

文中分別采用藍光半導體激光與近紅外光纖激光對紫銅進行焊接實驗，并對相關工藝參數(shù)進行對比研究，分析光源對焊縫強度、變形以及焊縫微觀組織的影響，以期為實際生產提供技術參考。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料為紫銅，其化學成分如表1所示。將材料切割成200 mm×100 mm×0.2 mm的板材，用酒精、水清洗表面的臟污。紫銅對不同波長光的吸收曲線如圖1所示（來源于Zediker等[24]的研究），紫銅對波長為1 070 nm光的吸收率約為4%，對波長450 nm光的吸收率約65%。

表1 紫銅材料的化學成分

Tab.1 Chemical composition of red copper wt.%

圖1 紫銅對不同波長光的吸收率

1.2 設備

使用藍光半導體激光器和近紅外光纖激光器分別對紫銅進行焊接實驗，實驗平臺如圖2所示。半導體激光器與激光加工頭A組成第1套光學系統(tǒng)，近紅外光纖激光器與激光加工頭B組成第2套光學系統(tǒng)，這2套光學系統(tǒng)可以快速互換，其他機構部分可以通用。藍光半導體激光器的額定功率為500 W，波長為450 nm，光纖直徑為200 μm，型號為AO–500，供應商為NUBURU。近紅外光纖激光器的額定功率為2 000 W，光纖直徑為200 μm，波長為1 070 nm，型號為YLS–2000，供應商為IPG。2種激光器在焦點處的聚焦光斑直徑均為400 μm。采用拼接的方式對銅材料進行焊接，焊接前用自制夾具將材料夾緊。將焊接試樣切割成標準試樣，如圖2b所示。采用拉力實驗機對焊縫進行抗拉強度測試，拉伸速度為2 mm/s，該實驗機為廣東威邦儀器科技股份有限公司生產的電子萬能材料實驗機，型號為WBE–9909，如圖2c所示。焊縫的抗拉強度=焊縫拉力值/焊縫面積，為確保數(shù)據(jù)準確性，每次測試3個樣品取其平均值。焊縫微觀組織采用金相顯微鏡進行觀察和分析，金相顯微鏡的型號為CSW–E200M、供應商為深圳市科視威光學儀器有限公司。

圖2 實驗平臺

2 實驗過程及結果分析

2.1 近紅外光纖激光焊接實驗

采用近紅外光纖激光器進行焊接。由于銅對近紅外激光（波長1 070 nm）的吸收率較低，大部分激光能量被反射，需要較高的功率才能實現(xiàn)焊接，故將功率設定為2 000 W，焊接速度設定為10～40 mm/s，每次遞增10 mm/s。當焊接速度為10 mm/s時，焊縫表面有明顯的“焊瘤”，如圖3a所示，這種外觀不能滿足實際生產要求；焊縫背面外觀如圖3b所示，可以看到有少許焊渣存在，這是因為在速度較慢的情況下，熱量累積過多會導致焊縫溫度過高且不均勻，容易在焊縫表面形成不均勻的焊縫，焊縫抗拉強度為132 MPa。當焊接速度為20 mm/s時，焊縫表面比較均勻一致，無明顯的“焊瘤”，如圖3c所示；焊縫背面外觀如圖3d所示，焊縫剛好被焊透，無焊渣存在，焊縫外觀符合實際生產要求，焊縫抗拉強度為156 MPa。當焊接速度為30 mm/s時，焊縫正面外觀以背面外觀分別如圖3e和f所示，可以看到焊縫不連貫，表明焊縫未被焊透，這是因為焊接速度提高，熱量堆積減小，溫度無法將銅完全熔化，焊縫抗拉強度為86 MPa。當焊接速度為40 mm/s時，焊縫正面外觀如圖3g所示，焊縫背面外觀如圖3h所示，可以看到，焊縫大部分區(qū)域未被焊透，焊縫抗拉強度為54 MPa。當近紅外光纖激光器的功率為2 000 W、焊接速度為20 mm/s時，焊縫抗拉強度為156 MPa，為母材抗拉強度（300 MPa）的50%。

圖3 不同焊接速度下的焊縫外觀

2.2 藍光半導體激光焊接實驗

采用藍光半導體激光器進行焊接時，由于銅對半導體激光（波長450 nm）的吸收率較高，只需要較低的激光功率就能實現(xiàn)焊接，故將功率設定為500 W，焊接速度設定為10～40 mm/s，每次遞增10 mm/s。當焊接速度為10 mm/s時，焊縫表面比較均勻一致，焊縫邊緣沒有明顯的熱影響區(qū)，如圖4a所示；焊縫背面呈明顯焊透，且焊縫寬度較寬，有部分材料燒損，如圖4b所示，這是因為在速度較慢的情況下，熱量累積較多，熔化的寬度較寬，過高的溫度使材料中部分低熔點元素發(fā)生燒蝕，導致焊縫抗拉強度較低，為136 MPa。當焊接速度為20 mm/s時，焊縫表面比較均勻一致，焊縫表面的熱影響區(qū)較小，如圖4c所示；焊縫背面外觀如圖4d所示，可以看到焊縫寬度較均勻，沒有材料燒損，焊縫抗拉強度為246 MPa。當焊接速度為30 mm/s時，焊縫表面幾乎沒有熱影響區(qū)，如圖4e所示；焊縫背面外觀如圖4f所示，可以看到焊縫被焊透，隨著焊接速度的提高，焊縫寬度相對減小，這是因為焊接速度提高，熱量堆積減小，焊縫背面的熔透寬度減小，焊縫抗拉強度為176 MPa。當焊接速度為40 mm/s時，焊縫表面寬度進一步減小，如圖4g所示；焊縫背面外觀如圖4h所示，可以看到焊縫不連貫，焊縫未被焊透，這是因為焊接速度增加到一定程度后，熱量累積不夠，無法將焊縫焊透，焊縫抗拉強度為76 MPa。當藍光半導體激光器的功率為500 W、焊接速度為20 mm/s時，焊縫抗拉強度達到最高，為246 MPa，是母材抗拉強度（300 MPa）的80%。

圖4 不同焊接速度下的焊縫外觀

2.3 焊縫抗拉強度對比分析

圖5為母材和焊接接頭的拉伸曲線?？梢钥闯?，母材的抗拉強度約為300 MPa，當采用紅外光纖激光焊接時，在最佳工藝參數(shù)條件下，焊接接頭的抗拉強度為156 MPa，約為母材的50%，伸長率約為母材的55%。當采用藍光半導體激光焊接時，在最佳工藝參數(shù)條件下，焊接接頭的抗拉強度為246 MPa，與紅外光纖激光焊接接頭相比，抗拉強度提高了約30%，伸長率提高了約40%。

圖5 母材和焊接接頭的拉伸曲線

2.4 焊縫顯微組織分析

當采用近紅外光纖激光焊接時，在功率為2 000 W、焊接速度為20 mm/s條件下，焊縫微觀結構200倍的放大圖如圖6a所示，可以看到焊縫邊緣有明顯的熔合線，圖6b為熱影響區(qū)500倍放大圖，可以看到，熱影響區(qū)為平行條紋結構，這是因為熔池在運動狀態(tài)下凝固，當熱量輸入較大時，對熔池的擾動較大，這樣凝固線之間的距離就變得很小，出現(xiàn)了平形狀凝固條紋。圖6c為焊縫中心500倍放大圖，可以看到，焊縫中心區(qū)為蜂巢狀，這是因為熔池凝固時，晶粒的生長方向垂直于固液界面，沿著焊接方向生長的“偏向晶”數(shù)量變大，根據(jù)陳永城等[25]的研究結果可知，紫銅屬于加工硬化合金，紫銅組織中含有大量的糾纏位錯及晶界位錯墻，焊接熔化凝固過程中會發(fā)生再結晶現(xiàn)象，使糾纏位錯數(shù)量大量減少，當晶粒直徑較粗大時，會導致焊縫軟化，使抗拉強度等力學性能降低。

當采用藍光半導體激光焊接時，在功率為500 W、焊接速度為20 mm/s條件下，焊縫微觀結構200倍的放大圖如圖6d所示，可以看到焊縫邊緣沒有明顯的熔合線，圖6e為熱影響區(qū)500倍放大圖，可以看到熱影響區(qū)為團簇狀的柱晶，圖6f為焊縫中心區(qū)500倍放大圖，可以看到焊縫中心區(qū)為細小的等軸晶，這是因為在較低的激光能量下，焊縫中心各個方向上的溫度梯度相同，冷卻速度較慢，且在各個方向上同時凝固，形成細小的等軸晶，使焊縫的力學性能提高。

圖6 焊縫顯微組織形貌

2.5 焊縫熱變形對比分析

當采用近紅外光纖激光焊接時，在功率為2 000 W、焊接速度為20 mm/s條件下，焊縫橫截面如圖7a所示，可以看到，焊縫呈錐形，焊縫正面寬度較寬，焊縫背面寬度較窄，焊縫兩側相對有彎曲的情況，變形量較大，這是因為銅對近紅外波長的激光吸收率較低，只有4%，需要較高的激光功率才能達到銅的熔點，較高的激光能量輸入使材料變形量較大。當采用藍光半導體激光焊接時，在功率為500 W、焊接速度為20 mm/s條件下，焊縫橫截面如圖7b所示，可以看到，焊縫呈梯形，焊縫正面寬度窄，焊縫背面寬度較寬，焊縫兩側沒有明顯的彎曲，變形量較小，這是因為銅對藍光波長的激光吸收率較高，達到70%，只需要較低的激光功率就能達到銅的熔點。較低的激光能量輸入使上層材料在吸收激光能量后，快速向下層材料傳輸，導致焊縫背面寬度較寬，且在較低的激光能量輸入下材料變形量較小。

圖7 焊縫切片形貌

3 結論

當采用近紅外光纖激光焊接紫銅時，在功率為2 000 W、焊接速度為20 mm/s的條件下，焊縫抗拉強度為156 MPa，為母材抗拉強度（300 MPa）的50%。當采用藍光半導體激光焊接時，在功率500 W、焊接速度為20 mm/s條件下，焊縫抗拉強度達到最高，為246 MPa，是母材抗拉強度（300 MPa）的80%。

當采用藍光半導體激光焊接紫銅時，熱量快速向下層材料傳輸，使焊縫背面寬度較寬，焊縫抗拉強度較大，且較低的激光能量輸入使材料變形量較小，滿足實際生產要求。

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Comparative Study on Welding Process of Red Copper with Blue Diode Laser and Near Infrared Fiber Laser

LI Zhi-min1, LIU Zhi-qiang2

(1. Xuchang Electric Vocational College, Henan Xuchang 461000, China; 2. Xuchang Vocational and Technical College, Henan Xuchang 461000, China)

The work aims to improve the mechanical properties of red copper laser welded joint, and analyze the effects of laser process parameters on appearance and microstructure of weld. The process parameters of welding red copper by blue diode laser and near infrared fiber laser were optimized. The appearance of the weld was tested by microscope, the tensile strength of the weld was tested by tensile machine, and the microstructure of the weld was tested by metallographic microscope. When welding with near infrared laser, the power was 2 000 W, the welding speed was 20 mm/s, and the tensile strength of weld was 156 MPa. When welding with diode laser, the power was 500 W, the welding speed was 20 mm/s, and the tensile strength of weld was 246 MPa, reaching 80% of the tensile strength of the base metal. Due to the high absorption rate of copper to blue ray wavelength, when welding with blue diode laser, the overall heat input is low, the deformation of weld was low relatively, and the temperature gradient in each direction of the weld center is the same, which is likely to form equiaxed crystals. It is conducive to the improvement of mechanical properties.

laser welding of red copper; optimization of process parameters; comparative study; tensile strength; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.020

TG456.7

A

1674-6457(2022)09-0142-07

2021–11–17

李志敏（1978—），女，高級工程師，主要研究方向為機械工程設計開發(fā)。

劉志強（1982—），男，高級工程師，主要研究方向為機械工程設計開發(fā)。

責任編輯：蔣紅晨