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纳秒脉冲光纤激光器实现多种材料焊接
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激光淬火, 激光熔覆, ...
纳秒(ns)脉冲红外光纤激光器的多功能性是众所周知的,它们是大多数工业打标和雕刻应用的理想选择。通常在低于几毫焦耳的脉冲能量和平均功率不超过100W时,它在高脉冲重复频率、连续波(CW)与准连续波调制(QCW)模式方面效果明显。最近,它们又开始应用于各种微加工和激光表面纹理加工中,甚至还包括远程微切割应用。这些应用中绝大多数都会涉及到材料去除。基于这个前提,考虑到用于材料连接的束源并不一样。那么用相同的束源来连接材料,同时也能进行去除、烧蚀、雕刻、切割和打标,这才是真正令人印象深刻的(图1)。

对于激光用户来说,好处显而易见,例如能进行多任务的激光源以及往往是风冷结构的紧凑型集成形式,从而能实现无缝集成。传统观点认为焊接和连接需要具有高脉冲能量的毫秒级长脉冲,但显然并不是这样!这种类型的激光材料连接能力鲜为人知,但是它们在连接超薄材料时的表现非常出色。

在全球范围内,消费类电子产品、能量储存和医疗设备等行业需要在越来越小的体积和高密度包装内加入更多的功能。因此也更需要高效的制造技术来帮助这些产品成为现实,本文将着重讲述激光焊接技术。所以,借助工业(纳秒红外光纤)激光器实现的这种生产技术,可以提供所需的高可重复性、精确性和生产能力,其中最重要的还有低成本(成本和维修),因此能满足市场的需求。

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图1:紧凑型SPI 100W纳秒水冷式光纤激光器

根据不同的应用领域,各种类型的激光器都有着不同的优势,包括脉冲YAG激光器、碟片激光器、光纤(CW和QCW)激光器、甚至二极管激光器。到目前为止,纳秒脉冲激光器仅用于少数尖端的应用中,不过情况正在发生变化,最近开始将纳秒光纤激光器应用于材料连接上。

SPI是率先将主控振荡器功率放大器(MOPA)引入到纳秒光纤激光器的先锋,而这也已被证明是一种非常多用途的工具,因为它能根据应用的要求来控制和调整脉冲的参数。这主要是通过改变脉冲持续时间和脉冲频率来实现的。它们还能在脉冲和连续波模式之间切换,这也是一个非常重要的特点,因为具有在一系列不同光束质量的光源范围内的可用性,从而能根据当前的任务来提供不同的工具。在平均功率和峰值功率范围内,这种激光器可以在毫秒范围内调制,以适用于需要低平均功率的毫秒级脉冲的应用。

塑料焊接

以塑料焊接作为例子,在一些对精度要求很高的应用中,例如微流体装置,使用光纤激光器将比其他激光源能获得更多优势。有时候光斑的能量分布会有影响。例如,在一个复杂的医疗设备中,要将一个透明的聚合物焊接到一个黑色的聚合物上,将40W、M2=3的激光束设为CW模式(图2)。“它让我能按照所需要的那样来控制光斑尺寸、能量分布和场深度。” Okay Industries公司(康涅狄格州新不列颠)激光技术总监Joe Lovotti评论说。

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图2:用40W HS-H激光器对胰岛素注射器进行塑料焊接

丝焊

在金属焊接方面,医疗器械行业中的微连接应用越来越普遍,这即使是对于最出色的应用工程师来说也是一种挑战。细金属丝的连接正是这样一个例子,CW光纤激光器在这个领域得到了广泛应用。然而,随着金属丝变得越来越细,与热输入相关的问题也更加棘手。在焊接50μm直径的成卷焊丝时,用20W、M2 <1.6的激光来实现集中的聚焦将带来很好的效果。挑战在于,通过在较高的重复频率下操作激光器来压制脉冲的峰值功率,创造更多具有<0.1mJ的脉冲和频率大于250kHz的准连续波调制(QCW),这归根结底就是创造出短的脉冲串。

有些应用需要将一个外覆层或编织层连接到一根金属丝上(图3)。我们发现在这种情况下,能量分布较广的脉冲能实现两个部件之间更好的润湿性。在此示例中,使用的40W、M2=3的激光器具有较大的光斑和稍高的脉冲能量(大于1.25mJ),能帮助桥接间隙。

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图3:用250 kHz、20W EP-Z激光器焊接直径50μm的金属丝 (a和b),
用20W EP-Z激光器焊接热电偶 (c),用40WHS-H激光器焊接编织层和金属丝(d)

另一方面,使用20W、M2 <1.3的单模激光器能实现极高的精度。一个例子是焊接直径12μm的细异种金属丝,并成功地将它们焊接形成了热电偶。在这种应用中要想实现预期的效果,跳汰选和视觉系统与激光器同样重要。

锡焊应用

对于锡焊,通常使用CW或直接二极管激光器,但在热输入比较关键的应用中,可以考虑脉冲激光器。通过在高重复频率下使用长脉冲,可以提高能量利用效率,减少热损伤的风险。通过使用光束扫描传输系统,可以将激光能量沉积在一个较大的目标区域上,这样,本示例中的金/锡焊锡膏就只会在接触的位置熔化(图4)。

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图4:用500 kHz、40W HS-H激光器进行锡焊

金属的焊接和连接

利用纳秒脉冲激光器来焊接金属需要仔细调整脉冲参数和工艺设置,从而真正实现效果好的连接。毕竟,这些类型的脉冲主要应用在去除材料上,而不是熔化并重新凝固。优化脉冲可以得到最大的峰值功率和脉冲能量,但能通过在更高的频率下使用它们来修改这些特性。这样可以减少峰值功率,并且使输出更接近QCW选通脉冲,同时保持平均功率。

在这种较高的频率下,脉冲对材料的作用从烧蚀转而更接近熔化。效果很显著,在下面的示例中可以看到使用70W激光器在不锈钢薄板上堆焊直径6mm的环。在70kHz下使用250ns、1mJ的脉冲,其结果极其粗糙并且高度氧化。保持所有的参数不变,只是提高脉冲频率,可以看出明显的改善。通过将频率加倍至140 kHz,脉冲能量减半至0.5mJ,可以看到粗糙程度和氧化情况得到极大的改善,而通过将频率提高至500kHz并降低脉冲能量至0.15mJ以下,可以获得光亮的焊缝,甚至不需要保护气体。通过使用这种技术,有可能实现250μm的搭接焊缝(图5)。

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图5:不同频率下的250ns脉冲实现的板上堆焊

通过使用摇动(wobbling)技术来扩大焊缝并改善焊缝熔深(影响焊接速度)可以进一步改进焊缝形状。

在一个不锈钢与不锈钢之间的焊缝上进行了试验,在完整的0.5mm搭接焊缝中的两个1mm焊缝的剪切强度超过了224磅。在一项对5mm长、1mm宽的直线焊缝进行的180 度剥离试验中,零部件在241磅时产生屈服(图6)。

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图6:70W EP-Z激光器产生的不锈钢焊缝(a)及其剥离试验(b)显微图像

事实上,这种技术可以应用于其他各种各样的金属中,例如钢、铝、甚至铜。将这种技术用于连接高反光材料时,需要调整脉冲,以提供足够的脉冲能量来耦合到材料中。通过使用一种螺旋式技术可以实现任何尺寸的点焊,例如,可以用70W EP-Z激光器来创建3个1mm的焊接点以连接两个150μm厚的铜箔。那么,接下来面对的挑战就是连接不同的金属。

异种金属焊接

在电子和电池应用中最常见的是将薄铜箔和铝连接起来。为了应对这一挑战,SPI的应用团队投入了紧张的研究中。他们很快就宣布有了进展,当被问及焊缝有多牢固时,他们展示了一张12磅静负载下的焊缝(图7)的图片。

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图7:铜铝点焊(a)及其拉伸试验结果(b),以及12磅静负载时的图片(c)

事实上,最近在拉伸试验上进行的检测试验显示, 在90度剥离试验中,该铜铝连接在26磅的剪切力下会失败,在6磅时会产生屈服。焊缝是完好无损的。

更具挑战性的异种材料焊接能用于实际的商业应用中(图8)。“仅仅使用20W单模纳秒脉冲激光器就能让我们很好地控制热输入和焊缝的几何形状,特别是在极具挑战性的微焊接应用中,例如0.1mm不锈钢箔和0.25mm钛箔的连接。”美国Amada Miyachi公司( 加利福尼亚州蒙罗维亚)的Geoff Shannon博士说。

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图8:用20W HS-S激光器焊接不锈钢与钛箔

这种多用途工具的引入可以简化生产线,因而在诸如医疗设备制造这样的行业中得到了迅速发展。“这些光纤激光器是一种革命性的工具,可以用纳秒脉冲来切割、刻蚀、研磨,并且能用多毫秒脉冲来焊接,这些工序全部能用同一台激光器在同一生产活动中完成。”Laser Mark's公司(加利福尼亚州圣何塞)的Mark Brodsky评论说。

小结

本文介绍了从塑料连接和锡焊到金属薄板焊接和丝焊的多种应用,事实证明在这些应用中,使用纳秒脉冲光纤激光器是一种替代常规的毫秒脉冲YAG和调制CW激光源的出色解决方案。这些激光器在多工艺制造中的良好表现进一步证明了它们的多功能性。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-12-18)
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