532纳米和1064纳米波长叠加对脉冲NdYAG激光铜微焊接

　　江苏激光联盟导读：
　　研究人员发现，不同的激光对焊接铜有不同的效果，本文对1064nm和532nm的叠加激光对铜的焊接进行了研究。
　　摘要：在1000nm波长左右的铜焊接过程中，激光能量的吸收不稳定。在532nm波长下，铜对激光有稳定的高吸收。以往的研究表明，小孔焊与热传导焊之间的过渡工艺条件使焊接过程变得稳定，表面质量好、焊深大。为适应脉冲Nd：YAG激光焊接铜，对焊接质量和效率进行了研究。在热传导与小孔焊接过渡工艺条件下进行加工。本研究用波长分别为1064nm和532nm的叠加激光对C1020铜试样进行了加工。
　　通过对熔液体积的测量和熔珠的分析，阐明了辐照延迟和功率密度对焊接过程的影响。此外，通过三维有限元分析，研究了熔池和小孔形成的动力学过程。采用适当的高功率密度532nm激光与较短的辐照延时叠加，实现了稳定的激光吸收和增加熔液体积，实现了铜的高效焊接。
　　1、背景介绍
　　随着航空航天、汽车和电子等行业的快速发展，很多部件开始小型化和数字化。有效的能源利用对实现社会的可持续发展有重大意义，而有效的能源利用可通过高效的能源传输来实现。这导致了对具有优良导电性的材料（如铜）的高需求。随着铜在各种行业中的使用，各产品的功能需求正在增加。然而，当使用常规连接方法时，常会出现焊接缺陷。因各种工艺参数输入的能量具有良好的可控性，于是激光焊接成了一种良好的连接方法。然而，由于铜材料反射率和高导热性，使用激光进行铜焊接变得很困难。由于能源利用率高，低熔点和高导热性的结合使得获得良好的焊接质量成为一个挑战。
　　过去的研究表明，当使用两种不同的激光器（如CO2和Nd：YAG激光器）进行焊接时，在相同的工艺参数下，可以获得不同几何形状的焊接截面。就如Forsman等人所示，造成这一现象的主要原因是，不同材料在不同波长下的吸收率会发生变化，以及不同激光波长之间等离子体吸收的巨大差异。铜吸收绿色和蓝色波长的效率是近红外波长的十倍以上，维持焊缝所需的能量基本上与启动所需的能量相同。
　　图1在室温条件下不同金属材料对不同波长的光的吸收系数
　　Zediker等曾使用500W的蓝色激光进行铜焊接。该系统允许以90度角进行焊接，允许将更高功率耦合到铜材料中。在一项类似的研究中，SilvaSa等人讨论了450nm高功率蓝色激光在铜焊接中的应用。在Zediker等和SilvaSa等的两项研究中，都报告了蓝色激光的高吸收率。蓝色激光器发射波长在400nm到480nm之间的光束，而近红外（NIR）激光器的工作波长在1000nm左右。铜材料以比长激光波长（如1064nm）更高的速率吸收更短的激光波长。蓝色激光在铜表面的吸收率约为65，而近红外激光的吸收率约为5。在激光材料加工的功率级中，蓝色激光器由半导体叠层组成，其光束通过直径为几百微米的光纤传输。从光纤振荡器获得的近红外激光器具有较低的光束参数积（BPP），与蓝色激光器相比，其束腰更小。
　　图2蓝光半导体激光的体积加热热源和光纤激光的体积加热热源的对比图
　　与蓝色激光器相比，近红外激光器将获得更高的输出功率水平，其高强度对于加工高光反射率的铜等金属材料是必不可少的。只有采用深熔焊接工艺才能连接厚板，这需要非常高的激光强度，如近红外激光。尽管蓝色激光的吸收率很高，但焊接厚铜板需要更高的激光功率。此外，对于蓝色激光器，可能需要组合许多较低功率源的输出，以实现特定工艺所需的总功率。与近红外激光相比，这些缺点使得蓝色激光的处理成本更高。因此，铜加工对近红外激光器的要求很高，需要开发技术来克服与近红外激光器相关的挑战。
　　正如Shen等人所引用的那样，Nd：YAG激光器和光纤激光器是两种广泛使用的固态激光，它们的激光波长位于近红外区域。本研究采用波长为532nm的绿色脉冲Nd：YAG激光器和波长为1064nm的脉冲Nd：YAG激光器进行铜微焊接。利用非线性光学（NLO）晶体和谐波分离器将1064nm激光器倍频，产生绿色激光。
　　Tadamalle等人讨论了激光焊接工艺中工艺参数的影响。要使激光焊接工艺成功，需要仔细考虑和选择工艺参数。这些参数包括激光参数、材料参数和加工环境参数。在所有激光应用中起主要作用的最重要参数之一是激光功率。需要源源不断向材料提供激光功率。
　　在具有小焊接体积的激光微焊接中，激光功率的微小变化导致大的焊接变化。对于脉冲Nd：YAG激光器，通过使用实时反馈的功率控制激光器输出时间内的功率，使两者保持一致性，能确保输出脉冲与所需脉冲之间的精确匹配。Steen和Ion表明，高激光功率可产生高有效能量密度，因此可熔化更多材料，从而实现更深的焊缝熔透。给定激光束的激光强度由单位照射面积内的激光功率大小给出。因此，通过更高的功率输出，或通过将激光束聚焦到较小的光斑尺寸，可以获得更高的强度。由于焦点较小，材料会快速加热，从而导致更快、更深的穿透。
　　Maina等人利用1064nmNd：YAG激光进行了铜微焊接。他们研究了不同表面状态（如表明粗糙度和凹面形状）对此的影响，并讨论了不同的焊接模式，即小孔焊接模式、热传导焊接模式和非熔化焊接模式。结果表明，当1064nmNd：YAG激光用于铜的微焊接时，小孔焊接和热传导焊接之间需过渡焊接条件。在过渡条件下，工艺可以稳定，从而获得良好的表面质量和无孔隙的大穿透深度。过渡加工条件由小孔和热传导两种模式组成。
　　Bono等人和Engler等人曾使用近红外激光和绿色激光进行铜焊接。值得注意的是，在铜焊接中出现小孔后，近红外波长激光的吸收率迅速增加，从而导致深熔透。在另一项研究中，Zediker等人使用蓝色激光对铜进行了小孔焊接。这些研究表明，更短波长的激光（如蓝色和绿色激光）即使在小孔形成之前，也能被铜高度吸收。尽管蓝色和绿色激光的吸收率很高，但由于其功率水平低，在深熔焊接中并不显效，而近红外激光能以可承受的成本获得高平均功率。
　　此外，与高可靠性的近红外激光系统相比，短波长激光系统复杂且昂贵，带来了经济效益问题。因此，高功率NIR激光器对于铜微焊接是必不可少的。实现铜材料的深熔焊接需要高强度和高平均功率，但为了铜的稳定焊接过程，应考虑稳定点火以提高NIR激光器的吸收率。虽然绿光激光器的平均功率水平较低，但其对铜的高吸收率和较小的光斑直径使小孔的形成稳定。可以设想，将近红外激光与绿色激光相结合，可以实现铜激光焊接工艺的经济可行性。如果将两种波长结合起来，并使用绿色激光启动小孔形成，则可以提高工艺效率，并实现高质量焊接。
　　Stritt等人使用绿光和近红外波长的调制脉冲激光对铝和铜进行了激光连接。他们使用不同的脉冲形状，但两次激光照射之间没有延迟时间。结果表明，在外加频率下，脉冲形状调制转变为熔池振荡。由于不同脉冲形状对熔池动力学有很大影响，因此，形成了不同的晶粒结构和金属间相。当应用热脉冲形状时，不需要对功率进行调节，在相同的频率下不会有周期性的熔池移动。此外，两次辐照之间的延迟时间使得通过控制较短波长的功率密度来讨论温度或表面形状对铜材料吸收特性的影响成为可能。
　　2。材料和方法
　　2。1。实验研究
　　在1。0nm无氧铜C1020的激光微焊接中，采用了1064nm的脉冲Nd：YAG激光和脉冲绿激光对厚度为1。0nm的无氧铜C1020进行激光微焊接。表1列出了两个激光系统的主要规格。绿色激光系统的光学设置示意图如图3所示。这种绿色激光器是通过使用非直瞄晶体和谐波分离器，将直接调制的1064nmNd：YAG激光器的频率加倍而产生的。激光系统仅输出波长为532nm的Nd：YAG激光器的二次谐波。
　　表1近红外和绿色激光系统规范
　　图3脉冲532nmNd：YAG激光系统的光学装置
　　图4显示了1064nm激光和532nm激光的叠加设置，其中使用了数字示波器和脉冲发生器。所用示波器的带宽为150MHz。脉冲发生器产生数字延迟，并允许最大频率为10MHz的精确脉冲。它还允许延迟范围从0到2000秒，分辨率为5ps，抖动低于25psrms。这两种设备可有效设置两个激光波长照射期间的辐照延迟时间。
　　图4使用脉冲发生器和示波器设置1064nm激光和532nm激光的叠加。
　　当532nm激光被照射时，信号从振荡器传输到控制面板，如图4所示。然后，脉冲发生器产生用于激活1064nm激光振荡器辐照的信号。通过使用脉冲发生器改变时间来产生辐照延迟。使用示波器监测波形和延迟。图5显示出了当持续时间为1。2ms的532nm激光脉冲叠加到相同持续时间的1064nm激光脉冲上时的延迟，没有延迟时间且延迟时间为0。2ms。证实了两个激光波长的抖动差异非常小。因此，无论辐照延迟如何，抖动的影响可以忽略。
　　图5532nm和1064nm激光照射叠加的时间延迟图示
　　图6显示了重叠激光轴对准的设置。532nm激光系统的光纤芯径为100m。同时使用f100mm的准直透镜和f50mm的聚焦透镜。通过调整1064nm和532nm激光器的轴线，可以在试样的同一点上进行辐照。532nm激光的辐照先于1064nm激光的叠加辐照。预计对于不同的激光波长，将获得不同的聚焦位置。结果如图7所示，当两个不同波长由一个聚焦透镜组合时，波长较短的激光总是导致焦距较短。通常，焦距与波长成正比，波长与折射率成反比。正如Liang等人和Lei和Dang所讨论的，焦点长度随着波长的增加而增加，随着折射率的增加而减少。实验中，对532nm激光的焦点位置进行离焦，以获得与1064nm激光相同的辐照位置，并为1064nm激光器设置了30m的光斑尺寸。然后将532nm激光器的聚焦位置调整在约3mm的离焦长度内，532nm激光器的光斑直径为200m。数值孔径（N。A。）决定焦点的大小。聚焦光斑直径与激光波长成正比，与聚焦透镜的N。A。成反比。在本实验中，所用光学元件的N。A。为0。11。
　　图6激光轴叠加对准实验装置。
　　图7叠加中激光焦距和光斑尺寸差异的图示。
　　为了确定叠加532nm激光器的最佳激光参数设置，首先仅使用532nm激光器进行处理，并阐明峰值功率的影响。在处理过程中使用1。2ms矩形形状脉冲。使用的峰值功率范围为0。6千瓦至1。5千瓦。在这种情况下，使用了40m的激光光斑。通过测量所创建孔的直径和深度，对加工后的试样进行评估。
　　根据测量结果，确定用于叠加的激光参数设置为532nm，选择用于叠加的总功率密度约为1。3108Wcm2。Maina等人的研究结果表明，当1064nm激光用于铜微焊接时，这种功率密度水平导致小孔焊接和热传导焊接之间呈现过渡状态。在绿光激光器的低功率密度和高功率密度条件下进行了叠加实验。绿光激光器的低功率密度条件被设置为1。98107Wcm2，而高功率密度条件设置为3。31107Wcm2。。然而，在所有情况下，两个激光器的总功率密度都保持在一个恒定值。此外，为了阐明叠加中辐照延迟的影响，进行了无延迟、短延迟200s和长延迟600s的处理。这些参数设置的影响通过测量产生的熔融体积和产生的穿透深度来表征。在相同的总功率密度下，与1064nm激光辐照的结果进行了比较。
　　2。2。温度场数值分析方法
　　正如Semak和Matsunawa（1997）、Dowden（2001）所讨论的，用高强度激光辐照金属材料会导致复杂的热诱导效应现象，其中包括固体和蒸发材料中的加热、熔化、汽化、离解和电离，以及激波。Siwek（2008）、Kazemi和Goldak（2009）以及Rai和DebRoy（2006）的实验表明，考虑能量守恒定律的前提下，可以通过FEM计算物体内的温度场。本研究中考虑了三种效应：表面加热、熔化和蒸发。利用非线性瞬态热传导方程建立了三维有限元模型，对铜激光叠加微焊接过程进行了动态模拟。采用通用有限元程序ANSYSVer。16。1。通过对热过程进行数学建模，Alexiades和Solomon（1993）、Ling等人（1990）和Yilbas等人（2008）已经表明，对于瞬态热传导，物体内部的温度场是随时间变化的。
　　无论热输入的方向如何，各向同性材料通常表现出恒定的导热性。因此，考虑三维空间中各向同性铜固体，其傅里叶导热定律如公式（1）所定义，三维瞬态热传导方程如公式（2）所定义。
　　x、y和z代表空间变量，T（x、y、z、T）是时间和空间变量的函数，是（x，y，z）的函数，T为温度，k为导热系数，f为热流，n为时间矢量，Qs为热源，c为材料比热容，为材料密度。c给出了体积热容的测量值。还考虑了对流效应对周围环境的热传递，详见公式（3）。
　　其中，Qc是对流热通量，T是固体边界表面的温度，T0是环境空气的温度，h是对流传热系数。
　　图8为本文所采用的有限元模型。仿真模型的几何形状为圆柱形，厚度为1mm，直径为2mm。这些尺寸与实验工作中所用样品的尺寸相对应。加工在顶部表面的中心进行。试验了不同的网格类型和大小，以确定最佳网格分级。离热输入区较远的区域使用课程网格，而在热输入区周围使用精密网格。此外，元件尺寸在整个厚度范围内增大，在靠近顶面处变细。在建立模型时，考虑了密度、导热系数和比热的温度相关特性。这些材料属性的值来自JSTP（2008）文献。用文献中的密度和比热值计算了铜的焓。图9显示了材料密度、热导率和比热如何随温度变化，而图10显示了铜的焓与温度的关系。
　　图8铜微焊接模拟的有限元模型图解。
　　图9材料密度、热导率和比热随温度的变化。
　　图10铜的焓与温度的关系。
　　在该分析中，初始模型温度设置为环境温度T0293K。对于未辐照的顶面，热流是对流的。传热系数10w（m2K）为模型的圆柱形端面设置了无限边界温度。实验中考虑了1。2ms矩形波形的单次激光照射。532nm激光的光斑直径为40m，1064nm激光的光斑直径为30m。假设532nm激光的上表面吸收率为50，则1064nm激光的上表面吸收率为10。Okamoto等人对此进行了实验研究。然而，如Courtoisetal。和Fabbroetal。所示，吸收率随着渗透深度的增加而增加。
　　所开发的模型采用体积热源，Qv和a表面热源，Qs被应用于高斯分布应用，如公式（4）和（5），和图11所示。累积热输入Q根据公式（6）定义为两个热源的总热输入之和。正如Hanbinetal。（2004）所讨论的，体积热源（75）是跨工件厚度的，而表面热源（25）是在工件上表面。
　　图11有限元分析中热流输入模型的说明。
　　其中，r为激光光斑半径，rd为5光束强度下的激光光斑半径，Ps为上表面吸收的功率，Pv为锁孔壁吸收的功率，r0为锁孔的初始半径，hd为最大锁孔深度，rc为当前锁孔半径，zi为当前锁孔深度。
　　本实验对使用532nm和1064nm的单个激光器以及两个激光器的叠加进行了辐照情况的模拟。使用脉冲持续时间为1。2ms的矩形波。表2显示了分析过程中设置的参数。为了模拟FEM模型中的叠加现象，在给定的时间延迟内启动532nm激光产生的热流，然后是532nm激光（剩余脉冲持续时间）和1。2ms脉冲持续时间的1064nm激光的组合热流。两种激光器的功率密度与实验条件相似。有限元模型采用0。1ms的等步长输入热量。因此，每个脉冲使用12个步骤。
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　　文章来源：Effectsofsuperpositionof532nmand1064nmwavelengthsincoppermicroweldingbypulsedNd：YAGlaser，JournalofMaterialsProcessingTechnology，Volume299，January2022，117388，https：doi。org10。1016j。jmatprotec。2021。117388
　　参考文献：1，Laserweldingcomponentsforelectricvehicleswithahighpowerbluelasersystem，JournalofLaserApplications32，022038（2020）；https：doi。org10。23517。0000054
　　2，Studyonlaserweldingofcoppermaterialbyhybridlightsourceofbluediodelaserandfiberlaser，JournalofLaserApplications33，032018（2021）；https：doi。org10。23517。0000386
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！