銅的激光束焊接，尤其是相對較高的板厚和較低的焊接速度，非常具有挑戰(zhàn)性，很可能出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接缺陷。通過降低環(huán)境壓力，可以極大地提高工藝能力。真空激光束焊接（LaVa）工藝變體允許以低于2m/min的焊接速度對銅進(jìn)行高質(zhì)量焊接，從而以相對較低的激光功率實(shí)現(xiàn)高穿透深度。

通過減壓在低焊接速度下對銅進(jìn)行良好焊接。

銅以其高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性等特性成為現(xiàn)代最重要的金屬之一。銅被廣泛用于各種工業(yè)、應(yīng)用和板材厚度。大量的應(yīng)用意味著對銅連接解決方案的高需求。焊接是在接頭中實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性的解決方案，但同時(shí)，高導(dǎo)熱性會給焊接過程帶來困難。

激光束焊接在大規(guī)模生產(chǎn)中效率很高，通過獲得相對較高的強(qiáng)度，可以克服銅的高導(dǎo)熱性。另一方面，銅對典型激光電源（波長范圍為900至1080 nm）波長的吸收系數(shù)相對較低。這就需要更高的光束強(qiáng)度，與鋼或鋁焊接相比，這意味著更小的光斑尺寸和/或更高的激光束功率。

低吸收系數(shù)并不是銅激光束焊接需要解決的唯一挑戰(zhàn)。尤其是在焊接速度較低時(shí)，會出現(xiàn)噴發(fā)狀焊縫金屬噴射。由于這些噴射物的大小和數(shù)量，出現(xiàn)了嚴(yán)重的焊接缺陷（圖1）。所述焊縫金屬噴射可通過蒸汽毛細(xì)管的膨脹和內(nèi)爆來解釋。

圖1低焊接速度下銅激光束焊接的典型缺陷。

預(yù)計(jì)蒸汽毛細(xì)管的不穩(wěn)定性與特定的材料特性有關(guān)，例如高導(dǎo)熱性和所用激光輻射的低吸收系數(shù)，這會導(dǎo)致更多的光束/工件相互作用來吸收激光輻射。具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)而不是范圍也有助于降低激光束焊接過程的穩(wěn)定性，因?yàn)椴牧蠒蝗灰夯?，也會突然蒸發(fā)。

在工業(yè)應(yīng)用中，由于這些障礙，只能獲得相對較小的穿透深度值。到目前為止，工業(yè)應(yīng)用所需的工藝可靠性大多只能在非常高的焊接速度下得到保證，這導(dǎo)致熔深較小，對所需激光功率和快速準(zhǔn)確定位的要求較高。

盡管存在障礙，但由于效率高，許多研究小組已經(jīng)開展了研究工作，并正在進(jìn)行中，以提高銅焊接LBW工藝的工藝能力。大多數(shù)研究工作集中于通過使用光束質(zhì)量最高的激光電源來增加激光束的強(qiáng)度，以獲得非常小的聚焦直徑（單模光纖激光器），使用功率調(diào)制或使用不同波長的激光器（約500 nm的綠色激光），這些激光器更好地被銅吸收。目前的研究表明，在較高的激光功率下，在2 m/min (10 kW)和4 m/min (16 kW)的焊接速度下，可以抑制焊縫金屬噴射。本文的研究工作尋求一種不同的方法來提高工藝穩(wěn)定性，避免焊縫金屬噴射的發(fā)生。已經(jīng)證明，對于鋼材料（非合金鋼和高合金鋼），環(huán)境壓力的降低會導(dǎo)致工藝穩(wěn)定，尤其是在低焊接速度下。在當(dāng)前研究的框架內(nèi)，嘗試將該工藝變量應(yīng)用于銅厚板焊接。

激光真空焊接(LaVa)

自從2010年用最先進(jìn)的固體激光器重新開始研究降低環(huán)境壓力的效果以來，已經(jīng)取得了顯著的成果。在焊接速度較低的情況下，壓力的降低會導(dǎo)致工藝穩(wěn)定性的大幅提高和內(nèi)焊縫幾何形狀的巨大變化。焊縫質(zhì)量和熔深可以顯著增加（圖2）。金屬蒸汽羽流的抑制（圖1，頂部）、沸點(diǎn)的降低以及環(huán)境壓力對蒸汽毛細(xì)管形成的影響的降低被認(rèn)為是產(chǎn)生巨大影響的主要原因。

圖2真空LaVa焊接（非合金鋼）。

對于非合金鋼，可在厚度為50 mm的板材上實(shí)現(xiàn)單道接頭焊接。高合金鋼、鎳基合金和鈦的焊接工藝已成功開發(fā)，可用于厚度在30至40 mm范圍內(nèi)的單道焊。另一方面，該技術(shù)適用于在滲透深度一致性、密封性、孔隙率或減少飛濺方面要求最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

銅的真空激光焊接

將LBW工藝置于真空條件下，需要一個真空室和一個泵送系統(tǒng)。與電子束焊接相比，中等真空（0.1至10 hPa）就足夠了。這意味著只需要一個泵級，并且可以使用無油的相對堅(jiān)固的泵。與激光電源、工件或光束操縱和機(jī)器控制的基本成本相比，真空室的額外成本較低。所有需要的組件都可以在市場上買到。

大多數(shù)系統(tǒng)采用帶有外部焊接光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。這方面的一個關(guān)鍵部分是保護(hù)窗口，它允許將激光束耦合到腔室中，使其免受過程排放物的影響。通過應(yīng)用合適的系統(tǒng)（ISF development“Optishield”），窗口中聯(lián)軸器的壽命可以增加到每個窗口1000次以上的焊接試驗(yàn)。在與工業(yè)伙伴PTR Strahltechnik(4腔室分度機(jī)，圖3左側(cè))和Focus GmbH(多用途機(jī)，圖3右側(cè))的密切合作下，已經(jīng)開發(fā)出了兩種用于工業(yè)應(yīng)用的lava -焊機(jī)概念。

圖3真空激光束焊接：機(jī)器設(shè)置.

多模固體激光器（光盤激光器Trumpf TruDisk 16002）已用于所示的研究工作。焊接光學(xué)元件（Precitec YW 52）的光斑直徑為0.3 mm（光纖直徑為200μm）。它們允許激光束在焊接方向或垂直于焊接方向的方向上振蕩。對于非合金鋼和高合金鋼的焊接，LaVa已被證明能在0.2到1 m/min的低焊接速度下穩(wěn)定焊接過程。上表面幾乎沒有飛濺，孔隙率受到積極影響，焊縫幾何形狀（尤其是熔深）大大改善。

在環(huán)境大氣壓力（1000 hPa）和中等真空壓力（2 hPa）下用銅進(jìn)行對比焊接試驗(yàn)的結(jié)果也表明，如果壓力降低，焊接過程會顯著穩(wěn)定（圖4）。

圖4 Cu DHP–減壓的影響。

對比基本焊接參數(shù)（聚焦位置在表面上，無光束振蕩）。使用的銅是一種磷還原銅，具有高殘留磷Cu DHP。在焊接速度為1.5 m/min時(shí)，焊接金屬的噴射完全可以避免，峰值功率為16 kW。大氣壓下的對比焊接試驗(yàn)顯示了典型的焊接缺陷。

基本對比(圖4)說明了壓力降低對焊縫金屬彈射形成的影響。對銅DHP焊接參數(shù)和焊接工藝開發(fā)的更詳細(xì)研究，包括垂直于焊接方向的激光束的振蕩，證明了工藝變量熔巖在3至10 mm以上板厚范圍內(nèi)焊接銅的全部潛力。

研究了焊接參數(shù)對焊接過程穩(wěn)定性、內(nèi)焊縫幾何形狀和質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，尤其是參數(shù)的焦點(diǎn)位置和光束振蕩（振蕩寬度和頻率）需要與選擇的焊接速度和激光功率相適應(yīng)，以優(yōu)化焊接結(jié)果。通過將焦點(diǎn)位置從基板的上表面改變到表面下的位置，并施加振動，內(nèi)部焊縫幾何形狀可以從焊縫寬度變化劇烈的形狀改變?yōu)閭?cè)面幾乎平行的形狀。此外，這樣可以提高工藝穩(wěn)定性和孔隙率。

基于這項(xiàng)研究工作，開發(fā)了一種在銅Cu-DHP中實(shí)現(xiàn)超過8mm穿透深度的焊接工藝，該焊接工藝沒有焊縫金屬噴射，沒有焊縫內(nèi)部缺陷，且氣孔率較低(圖5)。

圖5焊深為8mm，焊速低(Cu-DHP)的焊接工藝。

所選擇的焦點(diǎn)位置xf在工件上表面下5mm，所選擇的光束振蕩(寬度為1mm，頻率為300hz)導(dǎo)致焊縫幾乎為三角形。經(jīng)證明，具有平行側(cè)面或甚至三角形的形狀可導(dǎo)致低孔隙率和高工藝穩(wěn)定性。只有0.6 mm左右的相對較小波動，才能確保9 mm的穿透深度。目前的結(jié)果是在多模固體激光器的激光功率僅為8千瓦的情況下獲得的，因此強(qiáng)度水平相對較低，為113kW/mm2。由于可以在0.5 m/min的低焊接速度下進(jìn)行高工藝穩(wěn)定性的焊接，因此簡化了操作和工藝控制。開發(fā)的焊接工藝包括一個啟動過程，以盡快建立蒸汽毛細(xì)管，并減少飛濺。因此，在焊接開始時(shí)，激光束聚焦在上表面，激光功率線性增加至標(biāo)稱激光功率。在第二步中，在蒸汽毛細(xì)管建立后，將焦點(diǎn)位置調(diào)整為標(biāo)稱值（參見圖5縱截面中的啟動過程）。焊接過程的關(guān)閉還沒有得到優(yōu)化，這導(dǎo)致了最終的焊口。

總結(jié)

通過將環(huán)境壓力降低到0.1 hPa的范圍，可以顯著提高銅在相對較低焊接速度水平下的激光束焊接過程穩(wěn)定性。即使在0.5到2 m/min的焊接速度范圍內(nèi)，也可以完全防止焊縫金屬噴射。焊接參數(shù)“焦點(diǎn)位置”和垂直于焊接方向的激光束振蕩已被證明會對內(nèi)部焊縫幾何形狀和焊縫質(zhì)量（孔隙率、焊縫金屬噴射、飛濺）產(chǎn)生巨大影響。

在4到10 kW的激光功率范圍內(nèi)使用多模固態(tài)激光器足以獲得穿透深度，而不會產(chǎn)生3到10mm以上的關(guān)鍵焊接缺陷。在低焊接速度下防止關(guān)鍵焊接缺陷的機(jī)會會降低完成焊接任務(wù)所需的激光功率，并降低對快速準(zhǔn)確定位的要求。該工藝特別適用于焊透深度相對較高（>5mm）且焊縫長度較短的焊接任務(wù)，如動力軌或小直徑旋轉(zhuǎn)對稱零件。

來源：Laser Technik Journal - 2016 - Reisgen - Laser Beam Welding of Copper，DOI:10.1002/latj.201600029