摘要:隨著金屬加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和用戶要求的不斷提高， 激光器需要在成本和能效上以及激光系統(tǒng)性能方面進(jìn)行創(chuàng)新? 新的激光光源和激光加工技術(shù)的不斷涌現(xiàn)， 也給激光加工行業(yè)帶來了極好的發(fā)展前景? 能發(fā)射藍(lán)色甚至紫外光的高功率激光技術(shù)的新發(fā)展將打開嶄新的金屬加工技術(shù)的大門， 因此對高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和其帶來的新激光加工工藝應(yīng)用作一些簡單介紹?

關(guān)鍵詞:藍(lán)光半導(dǎo)體激光器；激光焊接；激光切割；激光增材制造；藍(lán)光激光金屬加工?

01

近紅外波長高功率激光器的局限

在過去的幾十年中，高功率連續(xù)激光器已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中的通用工具，涵蓋了焊接?熔覆?表面處理?硬化?釬焊?切割? 3D打印與增材制造等應(yīng)用領(lǐng)域?大功率連續(xù)激光器技術(shù)的第一個(gè)發(fā)展高峰出現(xiàn)在2000年之前，當(dāng)時(shí)研發(fā)出了高功率10.6μm波長的二氧化碳(CO2)激光器和近紅外1064nm波長的半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG固體激光器?但是，二氧化碳激光器因其波長的原因，很難通過光纖傳輸，對工業(yè)應(yīng)用造成一定困難；而固體激光器則受到亮度和功率放大能力的限制? 2000年之后，高功率工業(yè)光纖激光器開始出現(xiàn)，成為可通過光纖傳輸并且具有高亮度?高功率激光器的解決方案?如今，光纖激光器已在絕大多數(shù)應(yīng)用中替代了二氧化碳激光器，已經(jīng)被有效地應(yīng)用在眾多工業(yè)加工應(yīng)用中?特別是近年來，它已經(jīng)成為工業(yè)激光器的主力軍，例如激光焊接和切割，它比二氧化碳激光器具有更高的速度?效率和可靠性?

但是，這些連續(xù)高功率光纖激光器，一般在近紅外( NIR)波長下工作，其波長在1μm以內(nèi)，這對許多應(yīng)用來說都沒問題?比如它適用于吸收率超過50%的鋼的加工，但是由于某些金屬會反射90%或更多入射在其表面上的近紅外激光輻射，因此受到限制?尤其是用近紅外激光焊接諸如銅和金等黃色金屬，由于吸收率低，這意味著需要大量的激光功率才能啟動焊接過程?通常有兩種激光焊接工藝:熱傳導(dǎo)模式焊接(其中材料僅被熔化和回流)和深熔模式焊接(其中激光使金屬氣化并且蒸氣壓形成空腔或鎖孔)?深熔模式焊接導(dǎo)致激光束被高度吸收，因?yàn)榧す馐诖┻^材料傳播時(shí)會與金屬和金屬蒸氣發(fā)生多次相互作用?但是，以近紅外激光啟動鎖孔需要相當(dāng)大的入射激光強(qiáng)度，尤其是在被焊接的材料具有高反射性時(shí)?而且一旦形成了鎖眼，吸收率就會急劇上升，高功率近紅外激光在熔池中產(chǎn)生的高金屬蒸氣壓會導(dǎo)致飛濺和孔隙，因此需要小心控制激光功率或焊接速度，以防止過多的飛濺物從焊縫中噴出?當(dāng)熔池凝固時(shí)，金屬蒸氣和工藝氣體中的“氣泡”還可能會被捕獲，從而在焊接接縫處形成孔隙?這種孔隙會弱化焊接強(qiáng)度并增加接頭電阻率，從而導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量降低?因此，近紅外激光對于加工諸如銅等在1μm處吸收率< 5%的材料來說具有很大的挑戰(zhàn)性?為了更好地加工這些高反射率材料，人們采用了通過在加工材料上產(chǎn)生等離子體以增加材料對激光的吸收率等方法?但是，因?yàn)檫@些方法將使材料加工限制在深度滲透工藝范圍內(nèi)，所以對薄材料不能用熱傳導(dǎo)模式焊接，同時(shí)也存在濺射發(fā)生和控制能量沉積等固有的風(fēng)險(xiǎn)?因此，在加工有色金屬等高反射材料時(shí)，以及在水下應(yīng)用中，現(xiàn)有的波長1μm激光系統(tǒng)都有其局限性?

為了開發(fā)這些近紅外激光受制的應(yīng)用領(lǐng)域，人們必須對新的激光光源進(jìn)行研究?另外，為了減少溫室氣體，新能源汽車正在用電動發(fā)動機(jī)代替汽油發(fā)動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)?而電動發(fā)動機(jī)特別是動力電池構(gòu)造中采用了很多銅材料，這就產(chǎn)生了對可靠的銅加工解決方案的巨大需求，同時(shí)在其他可再生能源系統(tǒng)如風(fēng)力渦輪機(jī)中，也有著同樣廣泛的應(yīng)用需求?

02

高功率藍(lán)光激光的誕生

工業(yè)激光技術(shù)的發(fā)展，一直是沿著生產(chǎn)技術(shù)和社會新要求的路線圖而發(fā)展的?過去60年，從數(shù)字經(jīng)濟(jì)和社會，到可持續(xù)能源，再到健康生活，激光技術(shù)為解決人類未來的重要任務(wù)作出了巨大貢獻(xiàn)?今天，從生產(chǎn)技術(shù)到汽車工程?醫(yī)療技術(shù)?測量和環(huán)境技術(shù)，再到信息和通信技術(shù)，激光技術(shù)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)許多核心領(lǐng)域不可或缺的一部分?隨著金屬加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和用戶要求的不斷提高，激光器需要在成本和能效以及激光系統(tǒng)性能方面進(jìn)行創(chuàng)新?能有效加工高反射金屬的市場需求，激發(fā)了藍(lán)色高功率激光技術(shù)的發(fā)展，并定將打開金屬加工新技術(shù)的大門?

對于有色金屬，其對光能量的吸收隨著光波長的減短而增加?例如，銅對500nm以下波長的光吸收會比紅外光增加至少50%以上，因此短光波長更適合于銅的加工?問題在于，開發(fā)這些工業(yè)應(yīng)用的短波長高功率激光器比較困難，幾乎沒有高功率選項(xiàng)可用，即使已存在的選項(xiàng)也是價(jià)格昂貴和低效率?例如，市場上有一些基于倍頻的固態(tài)激光源可在此波長范圍內(nèi)使用，產(chǎn)生波長為515nm和532nm(綠色光譜)激光?然而，這些激光源依賴于其非線性光學(xué)晶體將泵浦激光能量轉(zhuǎn)換為目標(biāo)波長的能量，轉(zhuǎn)換過程會導(dǎo)致較高的功率損耗，同時(shí)激光器需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)以及復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置?

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，人們把目光放到了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器上?一是由于藍(lán)光有其特定的屬性?高反射率金屬材料對藍(lán)光的吸收率很高，這意味著藍(lán)光對高反材料(如銅等)金屬加工有著巨大的優(yōu)勢?如圖1所示，銅對藍(lán)光的吸收比紅外線吸收要高13×(13倍)以上?此外，銅熔化時(shí)吸收率變化不大?一旦藍(lán)色激光開始焊接，相同的能量密度將使焊接繼續(xù)進(jìn)行?藍(lán)光激光焊接具有內(nèi)在的良好控制和少瑕疵，其結(jié)果是快速和高質(zhì)量的銅焊縫?同時(shí)，藍(lán)光在海水中吸收較少，因此傳程較長，這使得開拓水下激光材料加工領(lǐng)域變得現(xiàn)實(shí)?此外，藍(lán)光相對容易轉(zhuǎn)換為白光，因此可以使用藍(lán)色激光非常緊湊地實(shí)現(xiàn)泛光燈和其他照明應(yīng)用?二是基于氮化鎵材料的半導(dǎo)體激光器可直接產(chǎn)生波長450nm的激光，而無需進(jìn)一步倍頻，因此具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率?

a）藍(lán)色激光的性能優(yōu)勢源于基本物理原理

b）銅吸收藍(lán)光與吸收紅外線（NIR）的效果對比

圖1?藍(lán)光物理性能

波長為450n m的激光對銅材料的加工效率比1μm的波長有望提高近20倍?與傳統(tǒng)的近紅外激光焊接工藝相比，高功率的藍(lán)色激光在數(shù)量和質(zhì)量上均具有優(yōu)勢?數(shù)量上的優(yōu)勢:提高了焊接速度，拓寬了工藝范圍，可直接轉(zhuǎn)化為更快的生產(chǎn)效率，以及最大程度地減少生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間?質(zhì)量上的優(yōu)勢:可獲得更大的工藝范圍，無飛濺和無孔隙的高質(zhì)量焊縫，以及更高的機(jī)械強(qiáng)度和更低的電阻率?焊接質(zhì)量的一致性可大大提高生產(chǎn)良品率(見圖2)?此外，藍(lán)色激光還可以進(jìn)行導(dǎo)熱焊接模式，這是近紅外激光所無法實(shí)現(xiàn)的(見圖3)?

圖2?厚度為254μm銅箔上深熔焊接的橫截面

圖3?厚度為500μm銅片中導(dǎo)熱焊接模式截面

03

高功率藍(lán)光激光的發(fā)展

隨著2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得和全球環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，氮化鎵(GaN)發(fā)光器件受到了廣泛關(guān)注，尤其是在照明領(lǐng)域?通過不斷提高藍(lán)光半導(dǎo)體器件的高亮度和高輸出，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器已進(jìn)入批量生產(chǎn)時(shí)代，但是它主要用于投影儀光源，替換投影儀中的燈，與產(chǎn)生綠色或紅色光的磷光體一起使用?由于藍(lán)光半導(dǎo)體激光器與燈泡相比具有更長的壽命和更小的尺寸[1]，因此近年來它們已迅速普及在照明和顯示應(yīng)用中?但是對激光加工而言，需要比這些照明用的藍(lán)光激光具有更高的功率?而由于藍(lán)光激光具有如上所述的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此人們一直在努力研發(fā)激光加工用的高功率藍(lán)光激光?

由于藍(lán)色單個(gè)激光半導(dǎo)體芯片僅具有幾瓦的輸出功率，而其將功率提高到更高的功率范圍是非常耗時(shí)且昂貴的?為了開拓藍(lán)光激光的巨大應(yīng)用潛力而所需的高功率，將需要新的技術(shù)方法?迄今為止，藍(lán)光半導(dǎo)體激光的每個(gè)芯片的實(shí)際功率在單個(gè)波長下約5W[2]，因此合束多個(gè)芯片輸出的光束組合技術(shù)對于獲得更高的功率輸出是必不可少的?光束組合的方法分為相干方法和非相干方法?其中，非相干方法比較實(shí)用，無需在激光器之間進(jìn)行精細(xì)的相位控制?非相干方法包括在空間上組合多個(gè)光束的空間組合方法，在偏振分束器中組合正交偏振光的偏振組合方法，以及在同軸上組合不同波長的波長組合方法?每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且還可以組合使用每種方法?其中，空間組合適合于組合多個(gè)相同波長的激光芯片以獲得高功率輸出[3]?迄今為止，兩種高功率合成方法最為成功，以下作個(gè)簡單介紹?

第一種方法是采用激光巴條(Laser Bars)技術(shù)，即在氮化銦鎵(InGaN)材料的晶片上系統(tǒng)地生成激光單芯片(Single Emitter)，先將多個(gè)單獨(dú)的激光芯片高效地集成到一個(gè)所謂的激光巴條，每個(gè)激光巴條可產(chǎn)生至少50W的藍(lán)光?然后通過適當(dāng)?shù)碾娺B接?冷卻散熱，以及使用特殊的光學(xué)器件，將多個(gè)半導(dǎo)體激光巴條安裝組合成一個(gè)半導(dǎo)體激光堆棧(Stack)?整個(gè)半導(dǎo)體激光器可以用一個(gè)或數(shù)個(gè)半導(dǎo)體激光堆棧組合而成，如圖4所示?目前，激光巴條技術(shù)可以達(dá)到2kW的藍(lán)光功率[4]?

a）巴條儀器的合成過程

b）巴條光束示意

圖4?半導(dǎo)體激光巴條（Laser Bars）技術(shù)的光束合成

第二種方法是采用半導(dǎo)體激光單管( S i n g l eEmitter)技術(shù)?這些激光器具有獨(dú)特的“基于單管芯片”的設(shè)計(jì)功能，對每個(gè)氮化鎵(GaN)激光單管的輸出分別進(jìn)行準(zhǔn)直?如果像巴條技術(shù)那樣，用一個(gè)透鏡共同對所有激光單管進(jìn)行準(zhǔn)直，則合成后的光束發(fā)散( BPP)不可避免地會增加?而將每個(gè)激光單管分別與自己的專用透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，即可盡量保持合成后的光束發(fā)散不變，將光束BPP降至最低，從而提高激光的亮度(見圖5)?并且，當(dāng)?shù)壖す鈫喂茏裱漕A(yù)期的發(fā)展路線而不斷提升單管激光功率時(shí)，這種獨(dú)特的“單管芯片”設(shè)計(jì)提供了最好的整體激光系統(tǒng)功率提升的途徑?并且，激光單管技術(shù)產(chǎn)生了目前可以達(dá)到1.5kW輸出功率的最佳光束質(zhì)量，這對于振鏡掃描的激光遠(yuǎn)程加工提供了保障[5]?這種掃描系統(tǒng)常用于電池?電動汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品制造?激光輸出功率和停留時(shí)間可以在掃描操作過程中進(jìn)行調(diào)整，通過允許在單個(gè)掃描圖案中解決不同的接合幾何形狀和材料厚度，從而最大化生產(chǎn)率?表1顯示了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器與近紅外半導(dǎo)體激光器和綠光固體激光器相比較的優(yōu)越性?

圖5?半導(dǎo)體激光器單管技術(shù)光束合成

04

藍(lán)光半導(dǎo)體激光材料加工應(yīng)用案例

1)圖6顯示了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和振鏡掃描系統(tǒng)用于動力電池制造?藍(lán)光有著寬大的工藝窗口，可以處理電池制造的每個(gè)階段，能焊接更厚和多種材料，如銅?金和幾毫米厚的不銹鋼?它是制造棱柱形電池?電池外殼以及電池組和電池集成的理想選擇?

a）70個(gè)8μm箔片焊接到254μm銅接線片上

b）兩個(gè)銅接線片的連接

c）將兩個(gè)銅接線片連接到鋼制電池外殼

圖6 藍(lán)光激光器寬大的工藝窗口可以處理電池制造的每個(gè)階段

2)采用450nm波長的藍(lán)光半導(dǎo)體光源，可以在導(dǎo)熱模式下熔化銅材料，從而可以精確調(diào)整薄銅材料的熔池幾何形狀(見圖7)?穩(wěn)定的能量吸收和導(dǎo)熱過程的精確控制對于深熔焊接薄銅材料尤其重要，主要是因?yàn)樗兄诜乐挂蚋邏憾鴮?dǎo)致對薄材料的切斷或飛濺的產(chǎn)生?這些現(xiàn)象尤其可能在焊接堆疊的薄銅箔時(shí)發(fā)生，由于堆疊箔的翹曲，其可能會產(chǎn)生難以控制的不規(guī)則間隙(見圖8)?在34個(gè)堆疊的銅箔上采用580W藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和2m/min的速度進(jìn)行對接焊接時(shí)，可以在最小的孔隙率和低咬邊的情況下形成> 0.8mm的焊縫寬度?對于在箔堆疊的邊緣上進(jìn)行角焊，成功地將箔的末端熔化成高橫截面積，并完全附著到固體箔上?在對接和邊緣焊接中，均可以實(shí)現(xiàn)完美的機(jī)械連接以及非常好的導(dǎo)電性?

圖7 銅材料熔池幾何形狀

a）邊緣焊接構(gòu)造

b）以580W的藍(lán)光激光功率和2m / min的焊接速度

圖8 34個(gè)堆疊的銅箔（每個(gè)厚度11μm）連接焊接之間的接頭橫截面

3)圖9顯示了用100W藍(lán)光激光器搭接焊接銅箔的結(jié)果?在3張銅箔以30μm厚度堆疊的狀態(tài)下，以約10mm/s的速度從頂部表面用激光掃描銅箔?由于芯徑為100μm的光纖輸出以1∶ 1的投影比集中，因此樣品表面的激光光斑直徑也為100μm，獲得了良好的焊接質(zhì)量，抑制了熱量對碎屑和周圍環(huán)境的影響?

a）焊縫俯視圖

b）焊縫橫截面

圖9 純銅薄板進(jìn)行搭接焊接的結(jié)果

4)圖10顯示了3D打印機(jī)的示例，該打印機(jī)能夠采用大阪大學(xué)開發(fā)的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器制成純銅?在粉末床上實(shí)現(xiàn)了100μ m的激光聚焦光斑直徑，可以層壓具有高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率的純銅，在此之前很難用近紅外激光熔化，預(yù)計(jì)該技術(shù)將應(yīng)用于航空航天和電動汽車等工業(yè)領(lǐng)域?

a）帶有100W功率藍(lán)光激光器的SLM機(jī)器

b）由純銅粉制成的3D原型樣品

圖10 3D打印應(yīng)用

5)更大的滲透深度也開辟了電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域，電動汽車制造商正在轉(zhuǎn)向采用棒狀繞組設(shè)計(jì)，以最大程度地提高熱效率和電效率，這三種藍(lán)色激光發(fā)夾式焊縫顯示出一致的質(zhì)量，這對于提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要，如圖11所示?藍(lán)色激光可以產(chǎn)生發(fā)夾式焊接，這對于高密度高強(qiáng)度的電動機(jī)制造很重要?

圖11 電動汽車制造中的應(yīng)用

6)高功率和高亮度還增加了焊接過程的靈活性，從而有可能擴(kuò)展加工材料范圍?例如，黃銅中的銅和鋅具有明顯不同的熱性能，這對高品質(zhì)的焊接提出了挑戰(zhàn)，但藍(lán)色工業(yè)激光很容易處理，現(xiàn)在可以焊接家電生產(chǎn)中常用的黃銅材料，如圖12所示?初步研究表明，藍(lán)色激光將能有效地解決焊接異種金屬的難題?因?yàn)槊糠N材料具有獨(dú)特的熱學(xué)?光學(xué)和力學(xué)性能，所以異種金屬焊接是一個(gè)挑戰(zhàn)?異種金屬的焊接通常會導(dǎo)致形成金屬間化合物，即不同合金的區(qū)域，損害了接頭的力學(xué)性能和電氣性能以及一致性?而最新一代的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的工藝參數(shù)范圍廣，可以焊接異種材料，且缺陷最少?雖然黃銅中的銅和鋅具有明顯不同的熱性能，這對高品質(zhì)的焊接提出了挑戰(zhàn)，但對藍(lán)光半導(dǎo)體激光而言，則很容易處理?

圖12 在黃銅焊接中的應(yīng)用

05

結(jié)束語

2kW藍(lán)光半導(dǎo)體激光器已經(jīng)在金屬加工，特別是高反射金屬材料加工中顯示出了它的優(yōu)勢?藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的亮度和功率還在不斷提高到新的界限，這也將導(dǎo)致更多更廣的應(yīng)用范圍?例如，藍(lán)色激光的增材制造能力正在繼續(xù)探索中(見圖10)?此外，除了高效的金屬材料加工外，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器期待跨部門的應(yīng)用，特別是機(jī)械工程部門將能夠在水下用藍(lán)光進(jìn)行激光材料加工?對于制造業(yè)來說，這當(dāng)然是一個(gè)巨大的優(yōu)勢?另外，照明行業(yè)也可以使用基于藍(lán)光半導(dǎo)體激光高質(zhì)量的照明技術(shù)?

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的興起，已促使工業(yè)領(lǐng)域開始出現(xiàn)新的模式轉(zhuǎn)變?由于激光加工技術(shù)具有融合數(shù)控技術(shù)和遠(yuǎn)程處理等天然優(yōu)勢，且無需更換工具，因此將在下一代智能制造領(lǐng)域里發(fā)揮主導(dǎo)作用?高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光的興起， 給激光技術(shù)帶來了又一個(gè)驚喜?雖然基于高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光的加工應(yīng)用才剛剛起步，但隨著未來技術(shù)和工藝的發(fā)展和進(jìn)步，它有可能成為下一代尖端智能制造的核心工具之一?