高亮度半導體激光器的焊接應用

來源:熱刺激光    關鍵詞:熱刺激光, 保溫杯, 半導體,    發布時間:2019-09-25

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一、前言

半導體激光器發展于上世紀60年代,如今已經在各行各業中得到了廣泛的應用。半導體激光器可以作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源,也可以直接輸出用作激光加工,直接輸出用作激光加工時稱直接半導體激光器。

受激光器光束質量的限制,傳統半導體激光器在材料加工領域,主要被應用于激光熔覆、激光淬火等方面,而難以滿足對光束質量要求較高的金屬切割及焊接等應用工藝。近年來,隨著半導體耦合技術的提高,以及新型合束技術的逐漸成熟,部分千瓦級以上的光纖輸出的半導體激光器,逐漸可以滿足激光焊接對光束質量的要求。如熱刺激光器推出的200/220/0.22NA光纖輸出的1800W直接半導體激光器就能滿足3mm以下厚度的大部分金屬材料的焊接。


在金屬焊接領域,光纖輸出的半導體激光器光斑大小適中、光斑對稱性好、材料吸收率高,在焊接過程中熔池穩定、無飛濺、焊縫表面光滑美觀,因此特別適用于汽車激光釬焊及金屬薄板焊接。目前半導體激光器已經取代了許多傳統焊接技術,發展勢頭迅猛。


二、高亮度半導體激光器保溫杯焊接應用

保溫杯杯身傳統焊接均采用氬弧焊,鎢針在不斷的放電、起弧、工作過程中,會產生氧化和損耗,工作一段時間后需要對鎢針進行打磨、裝調,此過程對工人的操作要求較高,且調試過程會產生廢品并浪費生產時間,更重要的一點是氬弧焊會對人體健康造成傷害。


與氬弧焊相比,半導體激光焊接性能穩定成品率高,操作簡單,焊縫美觀無需二次處理,焊接過程更環保且對人體健康無危害。

與光纖激光器相比,半導體激光器光斑較大,功率密度分布更均勻,更適合薄板不銹鋼的傳導焊接,且與等功率的光纖激光器相比,半導體激光器光電轉換效率高、價格低、穩定性更好。現半導體激光器用于保溫杯焊接已被大量推廣。


保溫杯一般主要由四部分構成,如圖1所示。分別為內膽、內底、外杯身、外底。成品焊接需要五條焊縫,分別為外殼制管、內膽制管、杯口焊縫、內膽底縫、外殼底縫。為更詳細介紹本應用,以下焊接均以某一型號保溫杯為例,只作杯口、內膽底、外殼底焊接介紹。



 圖1 保溫杯焊接示意圖


杯口焊接

此保溫杯內膽與外杯身均采用0.3mm厚304不銹鋼,激光器采用熱刺800W光纖耦合半導體激光器,輸出芯徑200μm,數值孔徑0.22,焊接速度45mm/s,焊接方式為傳導焊接,焊接效果如圖2所示。

圖2 (a)杯口焊縫正面(b)杯口焊縫橫截面


圖2(a)為焊縫正面,放大倍數45倍。可以看出,半導體激光焊接杯口表面光滑、平整,滿足工藝要求,無需磨口處理。而氬弧焊對人員焊接技能要求較高,且焊接發黑、不平整,需要磨口處理。

圖2(b)為焊縫橫截面,可以看出,焊縫上表面為圓弧形,圓弧與杯身過渡圓滑,無需二次處理;焊縫深度約0.25mm接近板材厚度,且焊縫內無氣孔等缺陷,完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。由于焊接過程激光束與待焊區域不可避免的位移偏差,此試樣焊縫中心點并未在內外壁板材中央,但對焊接效果影響較小。


內膽底焊接

此保溫杯內杯底采用0.4mm厚304不銹鋼,激光器采用熱刺1800W半導體光纖耦合激光器,輸出功率1500W,輸出芯徑600μm,數值孔徑0.22,焊接速度160mm/s,焊接方式為傳導焊接,焊接效果如圖3所示。

圖3 (a)內膽底焊縫正面(b)內膽底焊縫橫截面


圖3(a)為焊縫正面,放大倍數20倍,正面縫寬約1.7mm。可以看出,焊縫表面平整,上表面無其他陷。此焊縫在焊接時未施加惰性氣體保護保護,因此焊縫表面呈氧化狀態,經過一步必要處理后可去除氧化層得到光亮焊縫。

圖3(b)為焊縫橫截面,此焊縫為不等板厚拼接焊,焊縫正面飽滿無任何塌陷、咬邊現象,焊縫背面平整無燒蝕塌陷;焊縫深度不小于0.3mm,且焊縫內無任何氣孔等缺陷,完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。

外底焊接

此保溫杯外底采用0.5mm厚304不銹鋼,激光器采用熱刺800W半導體光纖耦合激光器,輸出芯徑200μm,數值孔徑0.22,焊接速度50mm/s,焊接方式為傳導焊接,焊接效果如圖4所示。

圖4 (a)杯底焊縫正面(b)杯底焊縫橫截面


圖4(a)為焊縫正面,放大倍數20倍,焊縫寬度約1.1mm。焊接過程采用惰性氣體保護,焊縫光潔平整、呈銀白色無任何氧化痕跡,焊縫無需任何后期處理。

圖4(b)為焊縫橫截面,放大倍數45倍,此焊縫介于角焊縫和拼焊,外杯身熔池少量流向熔池中部,焊縫連接處深度不小于0.3mm,焊縫深度最小值約0.25mm。焊縫內無任何氣孔等缺陷,完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。

此結構的保溫杯底無法使用氬弧焊焊接,氬弧焊焊接的杯底結構更復雜,因此,本步驟的激光焊接可以從材料及程序上進一步降低生產成本。

與氬弧焊相比:1)效率方面,杯口與外杯底焊接速度略高于氬弧焊,但內杯底焊接速度提升明顯,速度提升一倍左右;且激光焊的操作程序簡單,增加了整體效率。2)成品率方面,激光焊接成品率略高于氬弧焊。伴隨激光器亮度的進一步提升以及焊接工藝的改善,焊接效率及焊接成品率方面還將有較大提升空間。


三、總結

綜上所述,半導體激光焊接在保溫杯等薄板金屬焊接領域前景廣闊。在其他領域,高亮度半導體激光焊接設備也應用廣泛,如動力電池、電子器件、汽車工業等。

隨著光纖耦合技術的進步,半導體激光器的亮度將進一步提高,例如熱刺激光即將推出的2000W半導體激光器,輸出的光纖芯徑可以減少至105μm,此類半導體激光器可用于中薄板金屬激光深熔焊接或激光切割。因此高亮度半導體激光器具有廣闊的應用前景和市場空間。


來源:激光制造商情

供稿:熱刺激光

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