前言

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(shí)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(duì)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(lái)，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(jí)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(duì)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(duì)稱性好、材料吸收率高，在焊接過(guò)程中熔池穩(wěn)定、無(wú)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(shì)頭迅猛。

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(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生氧化和損耗，工作一段時(shí)間后需要對(duì)鎢針進(jìn)行打磨、裝調(diào)，此過(guò)程對(duì)工人的操作要求較高，且調(diào)試過(guò)程會(huì)產(chǎn)生廢品并浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間，更重要的一點(diǎn)是氬弧焊會(huì)對(duì)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(jiǎn)單，焊縫美觀無(wú)需二次處理，焊接過(guò)程更環(huán)保且對(duì)人體健康無(wú)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(jià)格低、穩(wěn)定性更好。現(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(hào)保溫杯為例，只作杯口、內(nèi)膽底、外殼底焊接介紹。

圖1 保溫杯焊接示意圖

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）杯口焊縫正面（b）杯口焊縫橫截面

圖2（a）為焊縫正面，放大倍數(shù)45倍。可以看出，半導(dǎo)體激光焊接杯口表面光滑、平整，滿足工藝要求，無(wú)需磨口處理。而氬弧焊對(duì)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(guò)渡圓滑，無(wú)需二次處理；焊縫深度約0.25mm接近板材厚度，且焊縫內(nèi)無(wú)氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強(qiáng)度及氣密性要求。由于焊接過(guò)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(diǎn)并未在內(nèi)外壁板材中央，但對(duì)焊接效果影響較小。

內(nèi)膽底焊接

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）內(nèi)膽底焊縫正面（b）內(nèi)膽底焊縫橫截面

圖3（a）為焊縫正面，放大倍數(shù)20倍，正面縫寬約1.7mm。可以看出，焊縫表面平整，上表面無(wú)其他陷。此焊縫在焊接時(shí)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(guò)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(wú)任何塌陷、咬邊現(xiàn)象，焊縫背面平整無(wú)燒蝕塌陷；焊縫深度不小于0.3mm，且焊縫內(nèi)無(wú)任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強(qiáng)度及氣密性要求。

外底焊接

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）杯底焊縫正面（b）杯底焊縫橫截面

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(guò)程采用惰性氣體保護(hù)，焊縫光潔平整、呈銀白色無(wú)任何氧化痕跡，焊縫無(wú)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(wú)任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強(qiáng)度及氣密性要求。

此結(jié)構(gòu)的保溫杯底無(wú)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(jiǎn)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。

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(dòng)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(chǎng)空間。