一、前言

半導體激光器發(fā)展于上世紀 60 年代，如今已經(jīng)在各 行各業(yè)中得到了廣泛的應用。半導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體激光器。

半導體激光器光束質(zhì)量一般較差，受光束質(zhì)量的限 制，傳統(tǒng)半導體激光器在材料加工領域，主要應用于 激光熔覆、激光淬火等需要大光材料加工領域，難以 用于對光束質(zhì)量需求較高的金屬切割及焊接。近年來， 隨著半導體耦合技術的提高，以及新型合束技術的逐 漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導體激光器， 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 導體激光器就能滿足 3mm 以下厚度厚度的大部分金屬 材料的焊接。

在金屬焊接領域，光纖輸出的半導體激光器光斑大 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。目前半導體激光器已 經(jīng)取代了許多傳統(tǒng)焊接技術，發(fā)展勢頭迅猛。

二、高亮度半導體激光器保溫杯焊接應用

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焊接，且與等功率的光纖激光器相比，半導體激光器光電轉(zhuǎn)換效率高、 價格低、穩(wěn)定性更好。現(xiàn)半導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。 為更詳細介紹本應用，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 導焊接，焊接效果如圖 2 所示。

2（a）為焊縫正面，放大倍數(shù) 45 倍?？梢钥闯?，半 導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。

2）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。 可以看出，焊縫表面平整，上表面無其他陷。此焊縫在焊接 時未施加惰性氣體保護保護，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。

3）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，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)更復雜，因此，本步驟的激光焊接可以從材料及程序上進一步降低生產(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，半導體激光焊接在保溫杯等薄板金屬焊接領域前景廣闊。在其他領域，高亮度半導體激光焊接設備也應用廣泛，如動力電池、電子器件、汽車工業(yè)等。

隨著光纖耦合技術的進步，半導體激光器的亮度將進一 步提高，熱刺激光即將推出的 2000W 半導體激光器，輸出的光纖芯徑可以減少至 105μm，此類半導體激光器可用于中薄板金屬激光深熔焊接或激光切割。因此可見，高亮度半導體激光器具有廣闊的應用前景和市場空間。