半導(dǎo)體激光器發(fā)展于上世紀(jì)60年代,如今已經(jīng)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)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(dǎo)體激光器。
受激光器光束質(zhì)量的限制,傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器在材料加工領(lǐng)域,主要被應(yīng)用于激光熔覆、激光淬火等方面,而難以滿足對光束質(zhì)量要求較高的金屬切割及焊接等應(yīng)用工藝。近年來,隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高,以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟,部分千瓦級以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器,逐漸可以滿足激光焊接對光束質(zhì)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(dǎo)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(lǐng)域,光纖輸出的半導(dǎo)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(wěn)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(dǎo)體激光器已經(jīng)取代了許多傳統(tǒng)焊接技術(shù),發(fā)展勢頭迅猛。
二、高亮度半導(dǎo)體激光器保溫杯焊接應(yīng)用
保溫杯杯身傳統(tǒng)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(chǎn)生氧化和損耗,工作一段時間后需要對鎢針進(jìn)行打磨、裝調(diào),此過程對工人的操作要求較高,且調(diào)試過程會產(chǎn)生廢品并浪費生產(chǎn)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(dǎo)體激光焊接性能穩(wěn)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(huán)保且對人體健康無危害。
與光纖激光器相比,半導(dǎo)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(dǎo)焊接,且與等功率的光纖激光器相比,半導(dǎo)體激光器光電轉(zhuǎn)換效率高、價格低、穩(wěn)定性更好?,F(xiàn)半導(dǎo)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(gòu)成,如圖1所示。分別為內(nèi)膽、內(nèi)底、外杯身、外底。成品焊接需要五條焊縫,分別為外殼制管、內(nèi)膽制管、杯口焊縫、內(nèi)膽底縫、外殼底縫。為更詳細(xì)介紹本應(yīng)用,以下焊接均以某一型號保溫杯為例,只作杯口、內(nèi)膽底、外殼底焊接介紹。
1、杯口焊接
此保溫杯內(nèi)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(dǎo)體激光器,輸出芯徑200μm,數(shù)值孔徑0.22,焊接速度45mm/s,焊接方式為傳導(dǎo)焊接,焊接效果如圖2所示。
圖2(a)為焊縫正面,放大倍數(shù)45倍??梢钥闯?,半導(dǎo)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(fā)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(nèi)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(qū)域不可避免的位移偏差,此試樣焊縫中心點并未在內(nèi)外壁板材中央,但對焊接效果影響較小。
此保溫杯內(nèi)杯底采用0.4mm厚304不銹鋼,激光器采用熱刺1800W半導(dǎo)體光纖耦合激光器,輸出功率1500W,輸出芯徑600μm,數(shù)值孔徑0.22,焊接速度160mm/s,焊接方式為傳導(dǎo)焊接,焊接效果如圖3所示。
圖3(a)為焊縫正面,放大倍數(shù)20倍,正面縫寬約1.7mm??梢钥闯觯缚p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(hù)保護(hù),因此焊縫表面呈氧化狀態(tài),經(jīng)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(xiàn)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(nèi)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。
此保溫杯外底采用0.5mm厚304不銹鋼,激光器采用熱刺800W半導(dǎo)體光纖耦合激光器,輸出芯徑200μm,數(shù)值孔徑0.22,焊接速度50mm/s,焊接方式為傳導(dǎo)焊接,焊接效果如圖4所示。
圖4(a)為焊縫正面,放大倍數(shù)20倍,焊縫寬度約1.1mm。焊接過程采用惰性氣體保護(hù),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(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)的保溫杯底無法使用氬弧焊焊接,氬弧焊焊接的杯底結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,因此,本步驟的激光焊接可以從材料及程序上進(jìn)一步降低生產(chǎn)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(nèi)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(jìn)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(jié)
綜上所述,半導(dǎo)體激光焊接在保溫杯等薄板金屬焊接領(lǐng)域前景廣闊。在其他領(lǐng)域,高亮度半導(dǎo)體激光焊接設(shè)備也應(yīng)用廣泛,如動力電池、電子器件、汽車工業(yè)等。
隨著光纖耦合技術(shù)的進(jìn)步,半導(dǎo)體激光器的亮度將進(jìn)一步提高,例如熱刺激光即將推出的2000W半導(dǎo)體激光器,輸出的光纖芯徑可以減少至105μm,此類半導(dǎo)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(dǎo)體激光器具有廣闊的應(yīng)用前景和市場空間。
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