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MFC:高亮度光纤激光用于铜焊接

前言

消费电子和汽车行业是工业加工和产品制造中越来越多地使用铜的重要推动力。

随着电池新技术的发展以及电池容量变得更高,对相应连接技术的需求也逐渐增加。虽然软焊仍然是用于消费电子产品中低功率应用的主要技术,但在高传输电流,或是在接头高荷载和动态荷载应力的情况下,则必须应用焊接技术。电动汽车产业尤其推动了这一趋势,汽车行业及其供应商正在为电力存储和线路传输应用等大批量生产作业寻找坚固而高效的工艺。

过去,由于材料的物理性能,激光技术在焊接铜和铜合金时会受到限制。 如今,高功率和高亮度的光纤激光器的出现一一克服了这些限制,通过新型和合适的加工技术,可以在高效的焊接工艺中打造出稳定、无缺陷的接头。

图1:通过高速的光束摆动工艺实现无缺陷的铜焊接

近红外(NIR)激光器焊接铜的挑战

激光焊接铜的挑战与材料的两个主要物理性质有关:对大多数高功率工业激光的低吸收率以及工艺过程中的高导热性。我们知道铜的吸收率随着波长的减小而增加,这意味着可见波段的激光器(例如,波长为532nm的绿光激光器)用于铜焊接将产生显著的优势,但是对于大多数焊接应用所需的功率范围这些激光器尚不可用或尚未得到工业验证。

红外激光器在处理固体材料时会产生吸收性问题。如果材料通过深熔焊发生了熔化甚至蒸发,其吸收率则会显著增加。固体铜的吸收率小于4%,而铜蒸汽(匙孔深熔焊)的吸收率则高于60%,参见表1。该吸收问题可以通过非常高的功率密度来克服,这大大加快了铜的熔化和蒸发速度,并因此增加其吸收性。

通过高速视频评估显示,稳定的工艺可在不到1ms的时间内建立。对于连续波(cw)焊接操作而言,这个障碍必须在焊接开始时就予以克服。匙孔焊接工艺建立后,便会提供恒定的高吸收率。而对于脉冲操作则必须在每个脉冲开始时将其克服。

表1:在不同状态下,铜对近红外激光辐射的吸收率。

焊接所需的高功率密度可以通过使用单模光纤激光器获得。 与其他固体激光器相比,这类激光器具有优异的光束质量和聚焦性能。IPG公司能够提供高达10 kW功率的高功率单模激光器,以及功率超过10 kW的高亮度多模激光器,产品均具有坚固的、已被工业验证的设计。

使用这些单模光纤激光器和低阶模高亮度激光器,可以达到高于108W/cm²的功率密度,甚至在几百瓦的功率下也能够实现可靠的耦合。与功率相当的普通多模激光器相比,这些激光器的强度高达五十倍(见表2)。IPG提供 YLR系列的单模光纤激光器,其功率从100W至1000 W不等,并配有19”的紧凑型机架;此外公司还提供功率高达10 kW的YLS系列光纤激光器(图2)。 这两个系列的整体效率都达到40%。

表2:激光器的功率密度取决于光斑直径

图2:高功率单模光纤激光器:风冷机架式YLR-1000-SM (左)以及3kW系统型YLS-3000-SM(右)。

铜焊接工艺的另一个问题是低速焊接时的不稳定性。通常,小于5m/min的焊接速度会面临焊接不稳定的问题,例如飞溅、气孔和不规则焊缝表面。随着焊接速度的加快,这种不稳定性逐渐消失,焊接工艺趋向稳定。在5-15m/min的焊速范围,质量达到可接受的水平。焊速高于15m/min的话,产生的焊缝基本没有缺陷(图3)。这意味着最佳的焊接参数介于传统的运动系统(例如机器人)所能达到的极限范围内。此外,焊缝深度随着焊接速度的增加而减小,而焊缝也变得非常窄。

图3:加工速度对焊缝质量和焊缝深度的影响

这必须用更高的激光功率来实现,带来更高的系统资金投入。新的工艺研究已表明,这完全可以避免的,工艺稳定性不仅可以通过提高焊接方向的速度,也可以通过光束导向镜片的动态位置变化来实现。这种所谓的摆动技术使其能够在相对较低的焊速下形成稳定的焊点,并且显著降低焊缝深度。

通过这种摆动技术,仅使用1kW功率的单模光纤激光器便能实现高达1.5mm焊接深度的高质量铜焊缝。与焊接速度相关的焊接深度可以得到轻松控制,而不影响焊接质量。同样的技术也能够应用于高亮度多模激光器。使用一款功率为6kW,光束质量为2 mm mrad的光纤激光器测试后显示,实现了5mm焊缝深度的高质量焊接。

光束的动态控制可以通过传统的扫描振镜或新型的摆动头实现,摆动头结合了经过验证的焊接头与扫描振镜的性能优势。两个振镜能够灵活地使用各种预先编程的图形和形状,例如圆形、线条或“8字形”,以及一定尺寸内可自由编程的图形和形状。其主要优点之一是能使用标准的聚焦镜而不是f-theta场镜可以在较低的焦点偏移水平下承受更高的功率密度,同时,常规的横向气帘和防护窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列摆动焊接头可以在高达1 kHz的摆动频率下工作,并且可轻松集成到各种加工系统中(图4)。这些焊接头可承受的激光功率高达12 kW。

图4:IPG 推出的FLW-D30和FLW-D50系列摆动焊接头

实验结果

在焊接具有变化的焊接方向的复杂路径时,圆形摆动运动显示出最好的结果。通过摆动频率和摆动直径(vc =πD f)可以很容易控制最终的光束速度。在大多数情况下,用于动态定位圆形光束速度vc的焊接速度矢量vw可忽略不计,这是因为光束速度远高于焊接速度vw。

提供最佳结果的频率设置取决于光斑尺寸、摆动直径(以及由此得出的圆形光束速度vc)和线性焊接速度。图5显示了在恒定的焊接速度、激光功率和频率,但摆动直径不同的工艺条件下的焊缝表面。光斑尺寸在焦距f = 300mm处约为30μm。激光功率保持为恒定的1kW,而线性焊接速度设定为1m/min。如果没有摆动运动,这些参数将导致非常不稳定的工艺,例如:过热的熔池和气孔。

图5:摆动幅度对焊缝宽度和质量的影响

可以看出,随着摆动直径的增加以及圆形光束速度的相应提升,表面质量越来越稳定。取决于摆动参数和光斑尺寸,光束和形成的匙孔通常在金属熔池或在固体和再固化的材料中移动。在这两种情况下,工艺都能实现稳定性。图6显示了实际焊缝表面和模拟的运动轨迹。每个单独圆形路径的窄焊缝重叠形成带有许多重叠圆圈的整体宽焊缝。焊缝表面类似于多个重叠脉冲的脉冲焊接效果

图6:铜的摆动焊接:单模光束的模拟路径和实际路径; 光斑尺寸d =30μm,振幅为600μm

以下这些焊缝横截面揭示了该技术的另一个优点:摆动直径可被用于定制焊缝横截面的形状。小的摆动直径会形成激光焊接的典型V形横截面,而较大的直径能够将焊缝从V形变为U形或非常规则的矩形(图7)。如果单位长度焊缝的能量输入恒定(E = P vw),则焊缝横截面几乎保持不变。这种技术使其能够满足特定应用需求对焊缝横截面的要求。

图7:摆动幅度对焊缝横截面的影响

对于电气触点的叠焊,可以通过增加接触面积来降低电阻,同时要控制焊接深度和热输入。这种控制是必需的,例如用于高功率电池组的电池连接器。在异种材料例如铜和铝的叠焊中,可以通过控制焊接深度来控制材料的稀释率(熔合比)。通过下层金属板的浅层熔融,可以将熔融材料的量减至最小,并且可以通过控制稀释率来减少金属间化合物。

即使加工头没有发生任何移动,也可以用高频光束运动来实现静态“点”焊。 重叠点焊或用于电机的扁平接线端部焊接可以通过小圆形或短线形光束的高重复运动实现。图8显示的是通过准静态焊接工艺被焊接在一起的三个扁平接线端部的焊缝横截面。

图8:三个扁平铜线的焊接

脉冲,连续或两者同时?

过去几年内,脉冲持续时间为几毫秒的长脉冲光纤激光器被推向市场。它们已经在广泛的应用中取代了传统的闪光灯泵浦Nd:YAG激光器。这类激光器包括平均功率为250W而峰值功率高达2.5kW的单模激光器。先前提到了铜的脉冲焊接问题,即,重要的是需要克服脉冲开始时吸收较弱的问题,以及随后由吸收率和热传导的突然变化所引起的能量输入控制,。过去,这是由适于每个功率水平和脉宽的特殊脉冲形状实现的。

通过使用单模激光器减小光斑尺寸,可以绕过吸收率问题,但同时,集中的能量输入一方面会导致产生小而弱的焊点,另一方面则会导致熔体过热。这个问题的解决方案和连续激光器所用的工艺一样简单,可以在准连续(QCW)激光器上使用相同的摆动技术。

高频光束运动使得激光光束在相对较短的脉冲时间内移动相对较长的距离。这意味着在一个脉冲期间我们实现了准连续焊接,例如,在600Hz摆动频率下的20ms长的脉冲实现由十二个旋转的光束组成的圆形焊点或短线焊。通过向线性焊缝逐个添加脉冲能够使铜焊接具有高焊接质量、低平均功率以及相应的低投资成本。各个脉冲之间的凝固和重熔不会产生诸如气孔、强烈的飞溅或不均匀的焊透深度等焊接缺陷

摆动直径确定了焊缝尺寸和焊缝深度。图9显示的是高速视频下的线性脉冲焊缝前五个焊点的静态照片。各个焊点有好的一致性,焊点质量和稳定性均与材料表面无关。除此之外,热输入要小得多,因此采用脉冲光纤激光器很容易对关键电气元件进行焊接。

图9 :通过“摆动”脉冲形成脉冲焊缝。激光频率fp = 10Hz,脉冲持续时间tp = 20ms,摆动频率fw = 600Hz。

总结

实验表明,高亮度光纤激光器能够攻克铜焊接应用中的所有已知问题。高功率密度可实现匙孔的瞬时耦合和形成,即使在1070nm波长下也能够实现稳定性和高吸收率。通过高动态的光束摆动,焊接过程非常稳定,从而减少或避免气孔和飞溅现象,最终产生高质量的焊缝。为光束摆动设置的工艺参数能够使焊接几何形状得到可控设计,从而在深熔焊工艺中产生非常浅的焊缝。使用长脉冲准连续光纤激光器,甚至可以在单个脉冲内通过光束高速动态运动完成点焊。以这种方式,可以在非常低的平均功率下通过逐个增加脉冲来打造高质量的焊缝。

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