基于混合激光系统的自动化激光微焊接技术及应用

董良新

（烟台汽车工程职业学院，山东 烟台265500）

1 问题描述

YAG激光器通过光纤可以传输高质量的激光束，具备低成本和高可靠性等优点，广泛运用于制造行业，如各种激光加工、焊接、切割、钻孔、退火、划线等。在加工时，YAG激光器吸收连续的固态激光波，能够提高效率和延长脉冲源的寿命。相比其他的激光器，YAG激光器能量具有光束质量高、转换效率高（低能量消耗）、寿命长等特点，能量消耗小，使用寿命长10～20倍。但是YAG激光器有一个缺点，即脉冲操作是有限的，因为在振荡中往往会发生非线性现象。目前许多用于铝合金微焊接的脉冲YAG激光发射器仍然是弧光灯，弧光灯泵浦激光器对于总能量输入的处理效率非常低，电光转换效率约是3%，而铝合金对激光束的吸收率（波长1 064 nm）约为5%。因此，通过改善激光发射源获得高峰值的激光束和足够穿透深度的做法是非常有必要的。随着半导体技术的快速发展，LD技术同样在激光焊接中得到运用。但是LD泵浦激光器的脉冲操作存在缩短其寿命的风险，并且带来初始成本和运行成本增加的问题。在此研究了如何将这些能源有效地利用，以及提高焊接质量和降低成本。

在此研究了一种适用于铝合金焊接的新型混合激光器。使用二极管激光和YAG激光混合动力的系统脉冲，提高高脉冲下的循环转换效率，解决了上述问题。YAG激光器和激光二极管连续分别发射1 064 nm和808 nm的脉冲激光叠加，并通过单一的光纤传送，从而使铝合金能够吸收更多的激光能量。使用该激光器进行了铝合金焊接试验，计算分析铝合金的吸收率、温度随时间的变化规律，并对新研制系统的混合性能进行评估。

2 混合型激光系统

2.1 发展背景

由于铝合金是高反射率和高导热性的材料，采用YAG激光高速脉冲难以精确和稳定地完成铝合金的焊接。为了提高焊接质量，研究了混合激光系统，其中锂离子电池中的混合型激光微焊接处理是众多运用例子的一种，获得的锂离子电池焊缝质量好，可以减少对自热环境的污染。

2.2 二极管激光器

为了获得高峰值激光脉冲，开发了可以发射振荡脉冲的二极管激光器。这种二极管激光器在一般情况下的电—光转换效率是18%～26%，如图1所示，而使用弧光灯泵浦YAG激光器电—光转换效率是2%～3%。二极管激光器寿命如图2所示，其寿命能够达到20 000 h。

2.3 连续叠加的二极管光束和脉冲YAG激光器

金属材料对较小波长的光吸收率如图3所示，其中铝吸收率最高值的光波长为800～850 nm。通过分析，分别使用波长为808 nm的连续二极管脉冲和波长为1 064 nm的混合脉冲，照射到相同的处理点。由图3可知，二极管激光器的吸收率（约15%）是YAG激光器吸收率（约5%）的3倍。受激光脉冲发射的频率限制，随着快速加热和冷却循环，在焊缝熔合区易出现气孔、裂纹等缺陷。但使用连续LD激光照射能够对焊缝进行预热、焊后缓冷，达到减少焊接缺陷的目的。还可以提高焊接效率和焊接质量（焊道宽度、熔深、表面美观度）。

图1 电输出功率变换效率

图2 某种条件下的寿命测试

图3 铝和其他金属的吸收率

2.4 试验步骤

试验装置示意如图4所示。使用的Nd：YAG激光器和连续LD参数如表1所示。Nd：YAG激光束和连续LD束脉冲叠加在相同的光轴上，两种波长的激光束经光纤加工头后重叠。试验试件材料选用A3003铝合金，将规格为φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管型板材嵌合并压入φ30 mm×φ5 mm×0.3 mm的管状板材内部。

图4 试验装置示意

表1 YAG激光器和连续LD脉冲规格参数

3 实验结果和讨论

3.1 连续LD激光的影响

试验结果是在有限元程序热分析基础上得到的，一般的有限元程序ANSYS可以在不稳定状态下进行数值分析。获得的焊缝宽度和焊缝断面熔深如图5所示。虽然使用的二极管的激光功率只有脉冲Nd：YAG激光器的1.2%，但是焊道宽度还是增加了14%，熔深增加了141%。由图6可知，在Nd：YAG激光器照射下，试件表面温度约为200 K，而在其与连续LD叠加的情况下，试样表面的温度保持在约500 K，使工件表面温度更容易上升到母材的熔点900 K。由此可知，由于LD激光的叠加，在高温下YAG激光能够被铝合金有效吸收。

3.2 铝电池壳焊接

通过改变连续LD激光输出功率，进行了铝合金电池壳对接焊试验。图7、图8分别为在功率处理速度20 mm/s和35 mm/s连续LD激光照射情况下，焊缝宽度和熔深的变化情况。对比可知，焊缝宽度和熔深随着连续LD激光输出功率的提高而大大增加。在另一方面，在传统的弧光灯泵浦YAG激光器的系统中，其处理速度只有15～20 mm/s。该系统可以实现30～40 mm/s的处理速度，这是弧光灯泵浦YAG激光器速度的两倍。

图5 焊缝结果对比

4 结论

混合动力系统激光器能够叠加两个激光束，将其传送至一个激光头上；母材表面在叠加的激光束下，焊接过程中可以保持在较高的温度，其对光的吸收率较高；相比传统的弧光灯泵浦YAG激光器，使用混合动力系统的激光器，获得的焊缝宽度和熔深分别增加14%和141%；该混合系统即使在较高的脉冲条件下重复操作，也能够高效率、高质量的完成铝的焊接。

[1]张林华，杨永强，来克娴.激光技术在大规模集成电路中的应用及展望[J].激光与光电子学进展，2005（6）：48-55.

图6 试件表面温度对比

图7 焊缝宽度随LD功率的变化

图8 焊缝熔深随LD功率的变化

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