直接半導(dǎo)體激光器由光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，在電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)激光輸出。 

相比光纖激光器，直接半導(dǎo)體激光器能量更均勻，光斑更接近平頂分布而不是光纖激光器的高斯分布（圖1）。在實(shí)際焊接應(yīng)用中得到的效果比傳統(tǒng)激光器更加優(yōu)越。

直接半導(dǎo)體激光器 光纖激光器 光電轉(zhuǎn)換效率 45~50% 30% 波長(zhǎng)（μm） 0.9 1.06 光斑能量分布 近似平頂分布 高斯分布 光斑大小 大 小 是否有商用加工頭配套 有 有 投入成本 經(jīng)濟(jì) 較高

表1 直接半導(dǎo)體與光纖激光器的參數(shù)對(duì)比

圖1 直接半導(dǎo)體（左）與光纖激光器（右）光斑對(duì)比圖

 

焊縫表面形態(tài)和焊縫橫截面形貌

采用凱普林半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，典型的焊縫表面形態(tài)如圖 2 所示，半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼時(shí)，表面較不銹鋼的焊縫形貌更寬，魚(yú)鱗紋更明顯。另外，焊縫更寬，熱影響區(qū)更大。

 

圖2 半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫表面

注：(a)低碳鋼， (b)不銹鋼

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，典型的焊縫橫截面形貌形態(tài)如圖 3 所示?？梢?jiàn)半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼及不銹鋼的焊縫橫截面均不同于傳統(tǒng)的“釘子頭”形形貌，為典型的“U”形焊縫橫截面形貌。另外，不銹鋼焊縫橫截面相較于低碳鋼更細(xì)長(zhǎng)，熔寬明顯更窄、熔深略微較深。

 

圖3 半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫橫截面

注：(a)低碳鋼， (b)不銹鋼

 

不同功率下焊縫橫截面形貌

采用凱普林半導(dǎo)體激光器、焊接頭75-145145、離焦量0，在不同功率下焊縫橫截面形貌不同。隨著功率的增加，焊縫的深度在增加，同時(shí)，激光器功率增加也會(huì)造成熔寬的增加。

圖4 不同功率下的橫截面圖。

焊接速度與熔深、熔寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 熔深熔寬對(duì)隨焊接速度的變化

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫熔深隨焊接速度的變化規(guī)律如圖 5 左所示。可見(jiàn)該激光焊接兩種材料的熔深大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。當(dāng)焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 3.2 mm；當(dāng)焊接速度為 3 m/min 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 1 mm。

半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼熔寬隨焊接速度的變化規(guī)律如圖 5右 所示。該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢(shì)大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不銹鋼。當(dāng)焊接速度為 0.2 m/min 時(shí)，低碳鋼熔寬可達(dá) 3.88 mm，而不銹鋼熔寬僅為 2.78 mm；當(dāng)焊接速度為 3 m/min 時(shí)，低碳鋼熔寬可達(dá)1.6 mm，而不銹鋼熔寬僅為 1 mm。

 

激光功率與熔深、熔寬之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 熔深熔寬對(duì)隨功率的變化

 

固定焊接速度為 0.5 m/min，半導(dǎo)體激光焊接低碳鋼和不銹鋼焊縫熔深熔寬隨激光功率的變化規(guī)律如圖 6 所示。可見(jiàn)隨著激光功率的增加，該激光焊接兩種材料的熔深也大體相當(dāng)，均隨著激光功率的增加而增加。當(dāng)焊接速度為 0.5 kW 時(shí)，焊接熔深約為 0.7 mm；當(dāng)激光功率為 2 kW 時(shí)，焊接熔深可達(dá) 2 mm。

該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢(shì)大體相當(dāng)，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不銹鋼。這與固定激光功率，變化焊接速度的規(guī)律是一致的。由于焊縫上表面激光能量輸入大，冷卻速度相對(duì)較慢，焊縫橫截面呈典型的上寬下窄的形貌。其中低碳鋼的熱導(dǎo)率明顯大于不銹鋼，這可能是兩種材料熔寬差異較大的原因。

 

穿透焊焊縫橫截面

圖7 焊縫橫截面

采用凱普林半導(dǎo)體激光焊接 1.5 mm 厚度的不銹鋼，當(dāng)激光功率為 2 kW 時(shí)，焊接速度低于 0.8 m/min 均能夠焊透板材；當(dāng)焊接速度為 0.5 m/min 時(shí)，激光功率高于 1.8 kW 均可焊穿板材。典型的焊縫橫截面如圖7 所示。

針對(duì)激光功率 2 kW、焊接速度為 0.5 m/min 獲得焊縫橫截面繼續(xù)拋光輻射，并放大 50 倍，測(cè)量焊接接頭的焊縫中心區(qū)域、熔合線和熱影響區(qū)組成，結(jié)果如圖7所示?？梢杂^察到焊縫中心主要以骨架狀等軸晶組織為主，偏離焊縫中心的熔合線附近為垂直于熔池邊界向焊縫中心生長(zhǎng)的柱狀晶組織，由于焊接熱影響，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，形成晶粒尺寸略大的沿軋制方向的晶粒組織。造成焊縫不同區(qū)域組織的差異主要與凝固過(guò)程中的溫度梯度大小有關(guān)，在焊縫中心區(qū)域由于冷卻速度較快，熔池中心溫度梯度小，因此形成細(xì)小的等軸枝晶組織，而越靠近熔合線附近，溫度梯度越大，晶粒沿與熔合線方向垂直向焊縫中心生長(zhǎng)，形成略微粗大的柱狀晶組織。

 

接頭顯微硬度分布

圖8 顯微硬度分布

圖8為上述激光焊接橫截面中心區(qū)域的顯微硬度分布?？梢?jiàn)母材的平均顯微硬度約為 280 HV，焊縫中心的平均顯微硬度約為 286 HV，焊縫區(qū)域的顯微硬度略高于母材的顯微硬度，熱影響區(qū)平均顯微硬度最低，約為 269 HV。焊縫的顯微硬度并沒(méi)有顯著的差異，其接頭沒(méi)有出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

 

拉伸試驗(yàn)

圖 9左 為母材和穿透焊接焊縫拉伸形貌。可見(jiàn)拉伸樣品斷于母材，與焊接速度無(wú)關(guān)。即焊縫的抗拉強(qiáng)度與母材的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。試樣的抗拉強(qiáng)度最大為 869Mpa，延伸率為 21.83%。

在掃描電鏡下觀察拉伸樣品的斷口形貌，如圖 9右所示。可發(fā)現(xiàn)斷口由許多細(xì)小的韌窩結(jié)構(gòu)，為典型的韌性斷裂。

圖9 穿透焊縫拉伸形貌與樣品斷口形貌

焊接速度和效果

使用220μm的高亮度半導(dǎo)體激光器，比上代產(chǎn)品的焊接速度可提升75%。

圖10  1mm不銹鋼板的焊接效果@1000W-220μm

凱普林高亮度激光器是凱普林推出的一款KW級(jí)產(chǎn)品，基于凱普林直接半導(dǎo)體系統(tǒng)升級(jí)改版，體積更小、重量更輕。實(shí)現(xiàn)220μm輸出1000W，內(nèi)部集成指示光，采用QBH輸出，可與商用鏡頭匹配。配備完善的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并且具有人性化的操控性能。光束呈平頂分布、光束能量分布均勻，適用于熔覆、釬焊以及表面熱處理等應(yīng)用。該產(chǎn)品曾在今年被評(píng)為“維科杯”最佳激光器技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)。

北京凱普林光電科技股份有限公司成立于2003年，一直致力于研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造性價(jià)比最優(yōu)的激光器件。15年來(lái)，不斷的技術(shù)積累和創(chuàng)新，持之以恒的生產(chǎn)工藝改進(jìn)，對(duì)更高產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的追求，使凱普林光電在直接制版印刷（CTP）、激光泵源、激光醫(yī)療、照明、科研等多個(gè)領(lǐng)域得到國(guó)內(nèi)外用戶一致認(rèn)可，成為了激光器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。