純銅以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性，以及在某些介質(zhì)中良好的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、電力開關(guān)、電氣設(shè)備和電驅(qū)系統(tǒng)中。隨著新能源行業(yè)快速充放電的要求越來(lái)越高，熔斷器、IGBT中銅材結(jié)構(gòu)件厚度不斷增加，鑒于其應(yīng)用市場(chǎng)和工藝性能需求的提升，本文主要分享了銳科旗幟系列ABP光纖激光器在中厚尺寸紫銅材料上的激光焊接工藝方案，以期為市場(chǎng)提供一種有效的案例參考。
01
激光焊接銅的優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)痛點(diǎn)
如圖1所示為4mm厚的導(dǎo)電銅排和4mm紫銅連接器件，主要用于大電流的輸送、電氣設(shè)備及關(guān)聯(lián)器件的連接導(dǎo)通。隨著連接性能要求的提升，具有優(yōu)良密封性能和力學(xué)性能的熔化焊接技術(shù)越來(lái)越受到重視。然而，銅的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)高，幾乎是純鐵的5倍，純鋁的1.7倍，傳統(tǒng)的弧焊方法因功率密度不足，焊接效果并不理想，并且對(duì)于較厚的銅及其合金，一般需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。相比較而言，激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接熱影響小等特點(diǎn)，被認(rèn)為是銅連接的一種合適工藝[1]。但銅的激光焊接同樣存在一些難以克服的工藝難點(diǎn)，如紅外激光吸收率低、飛濺、爆點(diǎn)等問(wèn)題。從圖2中可以看出，在常溫條件下，固體銅對(duì)于紅外激光表現(xiàn)為很低的吸收率，隨著熔化溫度的逐漸升高，在溫度達(dá)到銅的熔點(diǎn)之前，銅對(duì)紅外光的吸收在5%-10%之間；當(dāng)銅達(dá)到熔點(diǎn)之后，吸收急劇躍升至17%左右。這種巨大的尖峰通常會(huì)產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致一些熔化的材料以飛濺的形式排出，尤其是材料厚度較大或熔深要求更大時(shí)，實(shí)現(xiàn)良好焊縫質(zhì)量的難度進(jìn)一步增加。
圖1 4mm銅匯流排和4mm紫銅連接器件
圖2 純銅的熱導(dǎo)率及其對(duì)1064μm激光吸收率隨溫度的變化趨勢(shì)圖[2]
02
銳科旗幟系列ABP環(huán)形光斑激光器在紫銅焊接上的優(yōu)勢(shì)
鑒于以上銅材料激光焊接的痛點(diǎn)，銳科提供了旗幟系列ABP激光器在焊接中厚尺寸紫銅材料的解決方案。采用銳科旗幟系列R-6000/6000-ABP（50/150）光束模式可調(diào)連續(xù)光纖激光器，同時(shí)利用擺動(dòng)焊接頭或振鏡頭通過(guò)特定形狀編輯進(jìn)一步調(diào)整光束能量空間分布的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)在獲得較大焊接熔深的同時(shí)焊接飛濺得以較大程度抑制，焊縫表面爆點(diǎn)現(xiàn)象得以改善。銳科激光旗幟系列R-ABP（Adjustable Beam Profile）光束可調(diào)激光器是銳科自研自產(chǎn)的一款焊接利器，能夠有效抑制焊接過(guò)程中的飛濺，顯著提高焊接質(zhì)量和效率，它采用了銳科研發(fā)的定制化光纖合束器，通過(guò)將不同的光模塊分別獨(dú)立的耦合進(jìn)多芯層光纖的中芯和環(huán)芯實(shí)現(xiàn)高斯/環(huán)形/混合光斑等不同模式的精細(xì)化輸出，其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：（1）高可靠性和穩(wěn)定性：采用高亮度、高冗余、長(zhǎng)壽命泵浦源以及低光子暗化、高可靠性涂層有源光纖；（2）多模式組合：可實(shí)現(xiàn)雙模擬量控制以單獨(dú)控制中芯和環(huán)芯功率的輸出和模式的調(diào)節(jié)，能達(dá)到不同模式的毫秒級(jí)切換；（3）波形編輯功能：具備P網(wǎng)、E網(wǎng)等總線控制和波形編輯功能，以適應(yīng)不同的應(yīng)用控制需求；（4）焊接一致性好：能夠促進(jìn)熔池穩(wěn)定、有效抑制焊接飛濺，焊縫成形穩(wěn)定、一致性好。圖3和圖4分別展示了銳科R-ABP激光器中心光束和環(huán)形光束不同模式切換的精細(xì)化輸出圖示和穩(wěn)定熔池抑制飛濺的原理圖示。需要注意的是，影響焊接成形質(zhì)量的因素較多，除了優(yōu)化工藝參數(shù)外，焊前需要對(duì)連接處進(jìn)行清洗以及貼近焊件表面增加保護(hù)氣簾用于吹散光致等離子體，以便進(jìn)一步穩(wěn)定焊接過(guò)程。圖5中所示為利用高速攝影設(shè)備采集的常規(guī)單光束焊接紫銅、環(huán)形擺動(dòng)焊接紫銅的過(guò)程飛濺情況。由焊接過(guò)程高速圖像可知，在高功率輸入條件下，環(huán)形擺動(dòng)可以很大程度上抑制焊接飛濺。
圖3 ABP激光器不同模式切換
圖4 常規(guī)單纖芯激光器焊接熔池（左）和ABP激光器焊接熔池（右）
03
銳科旗幟系列ABP激光器在紫銅焊接上的工藝案例
采用旗幟系列R-6000/6000-ABP（50/150）連續(xù)光纖激光器開展紫銅焊接工藝試驗(yàn)的應(yīng)用案例如下所述。溫度檢測(cè)試驗(yàn)條件：材料選用2片80mm×40mm×3mm的紫銅板進(jìn)行疊焊；試驗(yàn)參數(shù)為功率6000W+6000W、40mm/s、焊接過(guò)程未接保護(hù)氣、首尾各安置一路檢測(cè)通道、檢測(cè)位置距離焊縫中心的距離5mm左右。溫度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果：最高溫度約92℃。如圖6所示為溫度檢測(cè)儀器和方法。
圖6 溫度檢測(cè)儀器和方法
焊接軌跡長(zhǎng)度8mm，焊道數(shù)量2條，焊道間距2mm。在焊接功率4800W+1800W激光功率及相應(yīng)的擺動(dòng)參數(shù)和焊接速度條件下?？色@得焊后剪切力超過(guò)2000N的焊接效果。圖7為焊道外觀和拉力測(cè)試顯示。
圖7 焊縫外觀及拉力檢測(cè)
在5800W+5800W激光功率及相應(yīng)的擺動(dòng)參數(shù)和焊接速度條件下，可獲得焊后表面熔寬3.0mm左右、背面熔深1.5mm左右的焊縫成形。圖8為焊縫宏觀形貌及截面金相。
圖8 紫銅6mm對(duì)接焊焊縫正面、背面形貌及截面金相
在5800W+5800W激光功率及合適的擺動(dòng)參數(shù)和焊接速度條件下，可獲得焊后表面熔寬2.8mm左右、界面結(jié)合處熔寬1.5mm左右和背面熔寬約1.0mm的焊縫成形。圖9為焊縫宏觀形貌及截面金相。
圖9 紫銅4mm+4mm穿透疊焊焊縫正面、背面形貌及截面金相
圖10為IGBT銅板的焊接，上板厚度為1.5mm，下板厚度為0.6mm，焊接后表面寬度為1mm，連接寬度為0.8mm，焊接速度可達(dá)250mm/s，焊接熱影響控制較好，背面基本無(wú)背痕。
圖10 紫銅1.5mm+0.6mm疊焊焊縫正面、連接面形貌
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭江鵬,扈金富,王家贊,等.銅及銅合金激光熔化焊接工藝的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝,2024,53(13):6-12+29.
[2] Franco D F．Wobbling laser beam welding of copper[D].Lisbon，Portugal：University of Lisbon,2017．
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