純銅以其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性，以及在某些介質(zhì)中良好的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、電力開關(guān)、電氣設(shè)備和電驅(qū)系統(tǒng)中。隨著新能源行業(yè)快速充放電的要求越來越高，熔斷器、IGBT中銅材結(jié)構(gòu)件厚度不斷增加，鑒于其應(yīng)用市場和工藝性能需求的提升，本文主要分享了銳科旗幟系列ABP光纖激光器在中厚尺寸紫銅材料上的激光焊接工藝方案，以期為市場提供一種有效的案例參考。
01
激光焊接銅的優(yōu)勢及市場痛點
如圖1所示為4mm厚的導(dǎo)電銅排和4mm紫銅連接器件，主要用于大電流的輸送、電氣設(shè)備及關(guān)聯(lián)器件的連接導(dǎo)通。隨著連接性能要求的提升，具有優(yōu)良密封性能和力學(xué)性能的熔化焊接技術(shù)越來越受到重視。然而，銅的導(dǎo)熱系數(shù)過高，幾乎是純鐵的5倍，純鋁的1.7倍，傳統(tǒng)的弧焊方法因功率密度不足，焊接效果并不理想，并且對于較厚的銅及其合金，一般需要進行焊前預(yù)熱。相比較而言，激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接熱影響小等特點，被認為是銅連接的一種合適工藝[1]。但銅的激光焊接同樣存在一些難以克服的工藝難點，如紅外激光吸收率低、飛濺、爆點等問題。從圖2中可以看出，在常溫條件下，固體銅對于紅外激光表現(xiàn)為很低的吸收率，隨著熔化溫度的逐漸升高，在溫度達到銅的熔點之前，銅對紅外光的吸收在5%-10%之間；當銅達到熔點之后，吸收急劇躍升至17%左右。這種巨大的尖峰通常會產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致一些熔化的材料以飛濺的形式排出，尤其是材料厚度較大或熔深要求更大時，實現(xiàn)良好焊縫質(zhì)量的難度進一步增加。
圖1 4mm銅匯流排和4mm紫銅連接器件
圖2 純銅的熱導(dǎo)率及其對1064μm激光吸收率隨溫度的變化趨勢圖[2]
02
銳科旗幟系列ABP環(huán)形光斑激光器在紫銅焊接上的優(yōu)勢
鑒于以上銅材料激光焊接的痛點，銳科提供了旗幟系列ABP激光器在焊接中厚尺寸紫銅材料的解決方案。采用銳科旗幟系列R-6000/6000-ABP（50/150）光束模式可調(diào)連續(xù)光纖激光器，同時利用擺動焊接頭或振鏡頭通過特定形狀編輯進一步調(diào)整光束能量空間分布的狀態(tài)，以實現(xiàn)在獲得較大焊接熔深的同時焊接飛濺得以較大程度抑制，焊縫表面爆點現(xiàn)象得以改善。銳科激光旗幟系列R-ABP（Adjustable Beam Profile）光束可調(diào)激光器是銳科自研自產(chǎn)的一款焊接利器，能夠有效抑制焊接過程中的飛濺，顯著提高焊接質(zhì)量和效率，它采用了銳科研發(fā)的定制化光纖合束器，通過將不同的光模塊分別獨立的耦合進多芯層光纖的中芯和環(huán)芯實現(xiàn)高斯/環(huán)形/混合光斑等不同模式的精細化輸出，其技術(shù)特點和應(yīng)用優(yōu)勢主要包括以下幾點：（1）高可靠性和穩(wěn)定性：采用高亮度、高冗余、長壽命泵浦源以及低光子暗化、高可靠性涂層有源光纖；（2）多模式組合：可實現(xiàn)雙模擬量控制以單獨控制中芯和環(huán)芯功率的輸出和模式的調(diào)節(jié)，能達到不同模式的毫秒級切換；（3）波形編輯功能：具備P網(wǎng)、E網(wǎng)等總線控制和波形編輯功能，以適應(yīng)不同的應(yīng)用控制需求；（4）焊接一致性好：能夠促進熔池穩(wěn)定、有效抑制焊接飛濺，焊縫成形穩(wěn)定、一致性好。圖3和圖4分別展示了銳科R-ABP激光器中心光束和環(huán)形光束不同模式切換的精細化輸出圖示和穩(wěn)定熔池抑制飛濺的原理圖示。需要注意的是，影響焊接成形質(zhì)量的因素較多，除了優(yōu)化工藝參數(shù)外，焊前需要對連接處進行清洗以及貼近焊件表面增加保護氣簾用于吹散光致等離子體，以便進一步穩(wěn)定焊接過程。圖5中所示為利用高速攝影設(shè)備采集的常規(guī)單光束焊接紫銅、環(huán)形擺動焊接紫銅的過程飛濺情況。由焊接過程高速圖像可知，在高功率輸入條件下，環(huán)形擺動可以很大程度上抑制焊接飛濺。
圖3 ABP激光器不同模式切換
圖4 常規(guī)單纖芯激光器焊接熔池（左）和ABP激光器焊接熔池（右）
03
銳科旗幟系列ABP激光器在紫銅焊接上的工藝案例
采用旗幟系列R-6000/6000-ABP（50/150）連續(xù)光纖激光器開展紫銅焊接工藝試驗的應(yīng)用案例如下所述。溫度檢測試驗條件：材料選用2片80mm×40mm×3mm的紫銅板進行疊焊；試驗參數(shù)為功率6000W+6000W、40mm/s、焊接過程未接保護氣、首尾各安置一路檢測通道、檢測位置距離焊縫中心的距離5mm左右。溫度檢測試驗結(jié)果：最高溫度約92℃。如圖6所示為溫度檢測儀器和方法。
圖6 溫度檢測儀器和方法
焊接軌跡長度8mm，焊道數(shù)量2條，焊道間距2mm。在焊接功率4800W+1800W激光功率及相應(yīng)的擺動參數(shù)和焊接速度條件下?？色@得焊后剪切力超過2000N的焊接效果。圖7為焊道外觀和拉力測試顯示。
圖7 焊縫外觀及拉力檢測
在5800W+5800W激光功率及相應(yīng)的擺動參數(shù)和焊接速度條件下，可獲得焊后表面熔寬3.0mm左右、背面熔深1.5mm左右的焊縫成形。圖8為焊縫宏觀形貌及截面金相。
圖8 紫銅6mm對接焊焊縫正面、背面形貌及截面金相
在5800W+5800W激光功率及合適的擺動參數(shù)和焊接速度條件下，可獲得焊后表面熔寬2.8mm左右、界面結(jié)合處熔寬1.5mm左右和背面熔寬約1.0mm的焊縫成形。圖9為焊縫宏觀形貌及截面金相。
圖9 紫銅4mm+4mm穿透疊焊焊縫正面、背面形貌及截面金相
圖10為IGBT銅板的焊接，上板厚度為1.5mm，下板厚度為0.6mm，焊接后表面寬度為1mm，連接寬度為0.8mm，焊接速度可達250mm/s，焊接熱影響控制較好，背面基本無背痕。
圖10 紫銅1.5mm+0.6mm疊焊焊縫正面、連接面形貌
參考文獻
[1] 鄭江鵬,扈金富,王家贊,等.銅及銅合金激光熔化焊接工藝的研究進展[J].熱加工工藝,2024,53(13):6-12+29.
[2] Franco D F．Wobbling laser beam welding of copper[D].Lisbon，Portugal：University of Lisbon,2017．
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