研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的激光對焊接銅有不同的效果，本文對1064 nm和532 nm的疊加激光對銅的焊接進行了研究。

摘要: 在1000 nm波長左右的銅焊接過程中，激光能量的吸收不穩(wěn)定。在532 nm波長下，銅對激光有穩(wěn)定的高吸收。以往的研究表明，小孔焊與熱傳導焊之間的過渡工藝條件使焊接過程變得穩(wěn)定，表面質量好、焊深大。為適應脈沖Nd:YAG激光焊接銅，對焊接質量和效率進行了研究。在熱傳導與小孔焊接過渡工藝條件下進行加工。本研究用波長分別為1064 nm和532 nm的疊加激光對C1020銅試樣進行了加工。

通過對熔液體積的測量和熔珠的分析，闡明了輻照延遲和功率密度對焊接過程的影響。此外，通過三維有限元分析，研究了熔池和小孔形成的動力學過程。采用適當?shù)母吖β拭芏?32 nm激光與較短的輻照延時疊加，實現(xiàn)了穩(wěn)定的激光吸收和增加熔液體積，實現(xiàn)了銅的高效焊接。

1、背景介紹

隨著航空航天、汽車和電子等行業(yè)的快速發(fā)展，很多部件開始小型化和數(shù)字化。有效的能源利用對實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展有重大意義，而有效的能源利用可通過高效的能源傳輸來實現(xiàn)。這導致了對具有優(yōu)良導電性的材料（如銅）的高需求。隨著銅在各種行業(yè)中的使用，各產品的功能需求正在增加。然而，當使用常規(guī)連接方法時，常會出現(xiàn)焊接缺陷。因各種工藝參數(shù)輸入的能量具有良好的可控性，于是激光焊接成了一種良好的連接方法。然而，由于銅材料反射率和高導熱性，使用激光進行銅焊接變得很困難。由于能源利用率高，低熔點和高導熱性的結合使得獲得良好的焊接質量成為一個挑戰(zhàn)。

過去的研究表明，當使用兩種不同的激光器（如CO2和Nd:YAG激光器）進行焊接時，在相同的工藝參數(shù)下，可以獲得不同幾何形狀的焊接截面。就如Forsman等人所示，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，不同材料在不同波長下的吸收率會發(fā)生變化，以及不同激光波長之間等離子體吸收的巨大差異。銅吸收綠色和藍色波長的效率是近紅外波長的十倍以上，維持焊縫所需的能量基本上與啟動所需的能量相同。

▲圖1 在室溫條件下不同金屬材料對不同波長的光的吸收系數(shù)

Zediker等曾使用500W的藍色激光進行銅焊接。該系統(tǒng)允許以90度角進行焊接，允許將更高功率耦合到銅材料中。在一項類似的研究中，Silva Sa等人討論了450 nm高功率藍色激光在銅焊接中的應用。在Zediker等和Silva Sa等的兩項研究中，都報告了藍色激光的高吸收率。藍色激光器發(fā)射波長在400nm到480nm之間的光束，而近紅外（NIR）激光器的工作波長在1000nm左右。銅材料以比長激光波長（如1064nm）更高的速率吸收更短的激光波長。藍色激光在銅表面的吸收率約為65%，而近紅外激光的吸收率約為5%。在激光材料加工的功率級中，藍色激光器由半導體疊層組成，其光束通過直徑為幾百微米的光纖傳輸。從光纖振蕩器獲得的近紅外激光器具有較低的光束參數(shù)積（BPP），與藍色激光器相比，其束腰更小。

▲圖2 藍光半導體激光的體積加熱熱源和光纖激光的體積加熱熱源的對比圖

與藍色激光器相比，近紅外激光器將獲得更高的輸出功率水平，其高強度對于加工高光反射率的銅等金屬材料是必不可少的。只有采用深熔焊接工藝才能連接厚板，這需要非常高的激光強度，如近紅外激光。盡管藍色激光的吸收率很高，但焊接厚銅板需要更高的激光功率。此外，對于藍色激光器，可能需要組合許多較低功率源的輸出，以實現(xiàn)特定工藝所需的總功率。與近紅外激光相比，這些缺點使得藍色激光的處理成本更高。因此，銅加工對近紅外激光器的要求很高，需要開發(fā)技術來克服與近紅外激光器相關的挑戰(zhàn)。

正如Shen等人所引用的那樣，Nd:YAG激光器和光纖激光器是兩種廣泛使用的固態(tài)激光，它們的激光波長位于近紅外區(qū)域。本研究采用波長為532nm的綠色脈沖Nd:YAG激光器和波長為1064nm的脈沖Nd:YAG激光器進行銅微焊接。利用非線性光學（NLO）晶體和諧波分離器將1064nm激光器倍頻，產生綠色激光。

Tadamalle等人討論了激光焊接工藝中工藝參數(shù)的影響。要使激光焊接工藝成功，需要仔細考慮和選擇工藝參數(shù)。這些參數(shù)包括激光參數(shù)、材料參數(shù)和加工環(huán)境參數(shù)。在所有激光應用中起主要作用的最重要參數(shù)之一是激光功率。需要源源不斷向材料提供激光功率。

在具有小焊接體積的激光微焊接中，激光功率的微小變化導致大的焊接變化。對于脈沖Nd:YAG激光器，通過使用實時反饋的功率控制激光器輸出時間內的功率，使兩者保持一致性，能確保輸出脈沖與所需脈沖之間的精確匹配。Steen和Ion表明，高激光功率可產生高有效能量密度，因此可熔化更多材料，從而實現(xiàn)更深的焊縫熔透。給定激光束的激光強度由單位照射面積內的激光功率大小給出。因此，通過更高的功率輸出，或通過將激光束聚焦到較小的光斑尺寸，可以獲得更高的強度。由于焦點較小，材料會快速加熱，從而導致更快、更深的穿透。

Maina等人利用1064 nmNd:YAG激光進行了銅微焊接。他們研究了不同表面狀態(tài)（如表明粗糙度和凹面形狀）對此的影響，并討論了不同的焊接模式，即小孔焊接模式、熱傳導焊接模式和非熔化焊接模式。結果表明，當1064nm Nd:YAG激光用于銅的微焊接時，小孔焊接和熱傳導焊接之間需過渡焊接條件。在過渡條件下，工藝可以穩(wěn)定，從而獲得良好的表面質量和無孔隙的大穿透深度。過渡加工條件由小孔和熱傳導兩種模式組成。

Bono等人和Engler等人曾使用近紅外激光和綠色激光進行銅焊接。值得注意的是，在銅焊接中出現(xiàn)小孔后，近紅外波長激光的吸收率迅速增加，從而導致深熔透。在另一項研究中，Zediker等人使用藍色激光對銅進行了小孔焊接。這些研究表明，更短波長的激光（如藍色和綠色激光）即使在小孔形成之前，也能被銅高度吸收。盡管藍色和綠色激光的吸收率很高，但由于其功率水平低，在深熔焊接中并不顯效，而近紅外激光能以可承受的成本獲得高平均功率。

此外，與高可靠性的近紅外激光系統(tǒng)相比，短波長激光系統(tǒng)復雜且昂貴，帶來了經濟效益問題。因此，高功率NIR激光器對于銅微焊接是必不可少的。實現(xiàn)銅材料的深熔焊接需要高強度和高平均功率，但為了銅的穩(wěn)定焊接過程，應考慮穩(wěn)定點火以提高NIR激光器的吸收率。雖然綠光激光器的平均功率水平較低，但其對銅的高吸收率和較小的光斑直徑使小孔的形成穩(wěn)定?？梢栽O想，將近紅外激光與綠色激光相結合，可以實現(xiàn)銅激光焊接工藝的經濟可行性。如果將兩種波長結合起來，并使用綠色激光啟動小孔形成，則可以提高工藝效率，并實現(xiàn)高質量焊接。

Stritt等人使用綠光和近紅外波長的調制脈沖激光對鋁和銅進行了激光連接。他們使用不同的脈沖形狀，但兩次激光照射之間沒有延遲時間。結果表明，在外加頻率下，脈沖形狀調制轉變?yōu)槿鄢卣袷帯?/strong>由于不同脈沖形狀對熔池動力學有很大影響，因此，形成了不同的晶粒結構和金屬間相。當應用熱脈沖形狀時，不需要對功率進行調節(jié)，在相同的頻率下不會有周期性的熔池移動。此外，兩次輻照之間的延遲時間使得通過控制較短波長的功率密度來討論溫度或表面形狀對銅材料吸收特性的影響成為可能。

2.材料和方法

2.1.實驗研究

在1.0 nm無氧銅C1020的激光微焊接中，采用了1064nm的脈沖Nd:YAG激光和脈沖綠激光對厚度為1.0nm的無氧銅C1020進行激光微焊接。表1列出了兩個激光系統(tǒng)的主要規(guī)格。綠色激光系統(tǒng)的光學設置示意圖如圖3所示。這種綠色激光器是通過使用非直瞄晶體和諧波分離器，將直接調制的1064nmNd:YAG激光器的頻率加倍而產生的。激光系統(tǒng)僅輸出波長為532nm的Nd:YAG激光器的二次諧波。

表1 近紅外和綠色激光系統(tǒng)規(guī)范

▲圖3 脈沖532nm Nd:YAG激光系統(tǒng)的光學裝置

圖4顯示了1064 nm激光和532 nm激光的疊加設置，其中使用了數(shù)字示波器和脈沖發(fā)生器。所用示波器的帶寬為150 MHz。脈沖發(fā)生器產生數(shù)字延遲，并允許最大頻率為10 MHz的精確脈沖。它還允許延遲范圍從0到2000秒，分辨率為5 ps，抖動低于25 ps rms。這兩種設備可有效設置兩個激光波長照射期間的輻照延遲時間。

▲圖4 使用脈沖發(fā)生器和示波器設置1064 nm激光和532 nm激光的疊加。

當532nm激光被照射時，信號從振蕩器傳輸?shù)娇刂泼姘?，?strong>圖4所示。然后，脈沖發(fā)生器產生用于激活1064nm激光振蕩器輻照的信號。通過使用脈沖發(fā)生器改變時間來產生輻照延遲。使用示波器監(jiān)測波形和延遲。圖5顯示出了當持續(xù)時間為1.2 ms的532 nm激光脈沖疊加到相同持續(xù)時間的1064 nm激光脈沖上時的延遲，沒有延遲時間且延遲時間為0.2 ms。證實了兩個激光波長的抖動差異非常小。因此，無論輻照延遲如何，抖動的影響可以忽略。

▲圖5 532 nm和1064 nm激光照射疊加的時間延遲圖示

圖6顯示了重疊激光軸對準的設置。532nm激光系統(tǒng)的光纖芯徑為100μm。同時使用f 100 mm的準直透鏡和f 50 mm的聚焦透鏡。通過調整1064 nm和532 nm激光器的軸線，可以在試樣的同一點上進行輻照。532nm激光的輻照先于1064nm激光的疊加輻照。預計對于不同的激光波長，將獲得不同的聚焦位置。結果如圖7所示，當兩個不同波長由一個聚焦透鏡組合時，波長較短的激光總是導致焦距較短。通常，焦距與波長成正比，波長與折射率成反比。正如Liang等人和Lei和Dang所討論的，焦點長度隨著波長的增加而增加，隨著折射率的增加而減少。實驗中，對532nm激光的焦點位置進行離焦，以獲得與1064nm激光相同的輻照位置，并為1064nm激光器設置了30μm的光斑尺寸。然后將532nm激光器的聚焦位置調整在約3mm的離焦長度內，532nm激光器的光斑直徑為200μm。數(shù)值孔徑（N.A.）決定焦點的大小。聚焦光斑直徑與激光波長成正比，與聚焦透鏡的N.A.成反比。在本實驗中，所用光學元件的N.A.為0.11。

▲圖6 激光軸疊加對準實驗裝置。

▲圖7 疊加中激光焦距和光斑尺寸差異的圖示。

為了確定疊加532nm激光器的最佳激光參數(shù)設置，首先僅使用532nm激光器進行處理，并闡明峰值功率的影響。在處理過程中使用1.2ms矩形形狀脈沖。使用的峰值功率范圍為0.6千瓦至1.5千瓦。在這種情況下，使用了40μm的激光光斑。通過測量所創(chuàng)建孔的直徑和深度，對加工后的試樣進行評估。

根據(jù)測量結果，確定用于疊加的激光參數(shù)設置為532nm，選擇用于疊加的總功率密度約為1.3 ×108 W/cm2。Maina等人的研究結果表明，當1064 nm激光用于銅微焊接時，這種功率密度水平導致小孔焊接和熱傳導焊接之間呈現(xiàn)過渡狀態(tài)。在綠光激光器的低功率密度和高功率密度條件下進行了疊加實驗。綠光激光器的低功率密度條件被設置為1.98 ×107 W/ cm2,而高功率密度條件設置為3.31 ×107 W/cm2.。然而，在所有情況下，兩個激光器的總功率密度都保持在一個恒定值。此外，為了闡明疊加中輻照延遲的影響，進行了無延遲、短延遲200μs和長延遲600μs的處理。這些參數(shù)設置的影響通過測量產生的熔融體積和產生的穿透深度來表征。在相同的總功率密度下，與1064nm激光輻照的結果進行了比較。

2.2.溫度場數(shù)值分析方法

正如Semak和Matsunawa(1997)、Dowden(2001)所討論的，用高強度激光輻照金屬材料會導致復雜的熱誘導效應現(xiàn)象，其中包括固體和蒸發(fā)材料中的加熱、熔化、汽化、離解和電離，以及激波。Siwek(2008)、Kazemi和Goldak(2009)以及Rai和DebRoy(2006)的實驗表明，考慮能量守恒定律的前提下，可以通過FEM計算物體內的溫度場。本研究中考慮了三種效應:表面加熱、熔化和蒸發(fā)。利用非線性瞬態(tài)熱傳導方程建立了三維有限元模型，對銅激光疊加微焊接過程進行了動態(tài)模擬。采用通用有限元程序ANSYS ' Ver.16.1。通過對熱過程進行數(shù)學建模，Alexiades和Solomon(1993)、 Ling等人(1990)和Yilbas等人(2008)已經表明，對于瞬態(tài)熱傳導，物體內部的溫度場是隨時間變化的。

無論熱輸入的方向如何，各向同性材料通常表現(xiàn)出恒定的導熱性。因此，考慮三維空間中各向同性銅固體，其傅里葉導熱定律如公式(1)所定義，三維瞬態(tài)熱傳導方程如公式(2)所定義。

x、y和z代表空間變量，T（x、y、z、T）是時間和空間變量的函數(shù)，?是(?/?x,?/?y,?/?z)的函數(shù) ，T為溫度，k為導熱系數(shù)，μf為熱流，n?為時間矢量，Qs為熱源，c為材料比熱容，ρ為材料密度。cρ給出了體積熱容的測量值。還考慮了對流效應對周圍環(huán)境的熱傳遞，詳見公式（3）。

其中，Qc是對流熱通量，T是固體邊界表面的溫度，T0是環(huán)境空氣的溫度，h是對流傳熱系數(shù)。

圖8為本文所采用的有限元模型。仿真模型的幾何形狀為圓柱形，厚度為1mm，直徑為2mm。這些尺寸與實驗工作中所用樣品的尺寸相對應。加工在頂部表面的中心進行。試驗了不同的網格類型和大小，以確定最佳網格分級。離熱輸入區(qū)較遠的區(qū)域使用課程網格，而在熱輸入區(qū)周圍使用精密網格。此外，元件尺寸在整個厚度范圍內增大，在靠近頂面處變細。在建立模型時，考慮了密度、導熱系數(shù)和比熱的溫度相關特性。這些材料屬性的值來自JSTP(2008)文獻。用文獻中的密度和比熱值計算了銅的焓。圖9顯示了材料密度、熱導率和比熱如何隨溫度變化，而圖10顯示了銅的焓與溫度的關系。

▲圖8 銅微焊接模擬的有限元模型圖解。

▲圖9 材料密度、熱導率和比熱隨溫度的變化。

▲圖10 銅的焓與溫度的關系。

在該分析中，初始模型溫度設置為環(huán)境溫度T0 293 K。對于未輻照的頂面，熱流是對流的。傳熱系數(shù)10w/（m 2K）為模型的圓柱形端面設置了無限邊界溫度。實驗中考慮了1.2ms矩形波形的單次激光照射。532nm激光的光斑直徑為40μm，1064nm激光的光斑直徑為30μm。假設532nm激光的上表面吸收率為50%，則1064nm激光的上表面吸收率為10%。Okamoto等人對此進行了實驗研究。然而，如Courtois et al.和Fabbro etal.所示，吸收率隨著滲透深度的增加而增加。

所開發(fā)的模型采用體積熱源，Qv和a表面熱源, Q s被應用于高斯分布應用，如公式（4） 和（5），和圖11所示。累積熱輸入Q根據(jù)公式(6)定義為兩個熱源的總熱輸入之和。正如Hanbin et al.(2004)所討論的，體積熱源(75%)是跨工件厚度的，而表面熱源(25%)是在工件上表面。

▲圖11 有限元分析中熱流輸入模型的說明。

其中，r為激光光斑半徑，rd為5%光束強度下的激光光斑半徑，Ps為上表面吸收的功率，Pv為鎖孔壁吸收的功率，r0為鎖孔的初始半徑，hd為最大鎖孔深度，rc為當前鎖孔半徑，zi為當前鎖孔深度。

本實驗對使用532nm和1064nm的單個激光器以及兩個激光器的疊加進行了輻照情況的模擬。使用脈沖持續(xù)時間為1.2ms的矩形波。表2顯示了分析過程中設置的參數(shù)。為了模擬FEM模型中的疊加現(xiàn)象，在給定的時間延遲內啟動532 nm激光產生的熱流，然后是532 nm激光（剩余脈沖持續(xù)時間）和1.2 ms脈沖持續(xù)時間的1064 nm激光的組合熱流。兩種激光器的功率密度與實驗條件相似。有限元模型采用0.1 ms的等步長輸入熱量。因此，每個脈沖使用12個步驟。

文章來源：Effects of superposition of 532 nm and 1064 nm wavelengths in copper micro-welding by pulsed Nd:YAG laser,Journal of Materials Processing Technology,Volume 299, January 2022, 117388,https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117388

參考文獻：1,Laser welding components for electric vehicles with a high-power blue laser system，Journal of Laser Applications 32, 022038 (2020); https://doi.org/10.2351/7.0000054

2,Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser,Journal of Laser Applications 33, 032018 (2021); https://doi.org/10.2351/7.0000386