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藍光激光焊接銅(高反光金屬)極具優勢

作者:西安大黄瓜网站  來源:西安大黄瓜网站   更新時間:2023-11-27  閱讀數:3122

藍(lan)光激光(guang)焊接銅(高反光金(jin)屬(shu))極具(ju)優(you)勢

    如今(jin),工業激光在(zai)材料(liao)加工、消費(fei)電子(zi)、汽車製(zhi)造(zao)和國防(fang)領(ling)域具有(you)重要應用(yong),如焊接、切割和(he)熔覆(fu)等(deng)。與傳(chuan)統(tong)的(de)材料處(chu)理相比(bi),它(ta)們(men)更快(kuai)、更(geng)靈(ling)活(huo)、更精確、更清(qing)潔(jie),且不需要(yao)冷(leng)卻(que)液或溶(rong)劑(ji),因(yin)此不會(hui)留下(xia)顆(ke)粒(li)殘(can)留(liu)物(wu),避(bi)免(mian)了(le)額(e)外的清洗(xi)工序。

     這些(xie)特(te)性使(shi)得(de)激光非常適(shi)合切割(ge)和焊接。但(dan)是,目(mu)前流行(xing)的紅外激光(波長(zhang)1 µm)以及二氧(yang)化碳(tan)激光器(波長10.6 µm),對(dui)常見(jian)波長反射(she)率高的材(cai)料不(bu)奏(zou)效或(huo)者(zhe)不能焊接,尤(you)其是金、銀(yin)、銅(tong)等有色(se)金屬,限製了激光在電池、電子和電動(dong)汽(qi)車方麵(mian)的應用。

    2017年以來(lai),一(yi)種(zhong)藍光激光器逐(zhu)漸(jian)引(yin)起(qi)了人們的注(zhu)意,450 nm藍光激光對常(chang)見波長反(fan)射率(lv)高的材料的吸(xi)收率非常高(gao)。若是(shi)相同的應(ying)用,原本(ben)幾(ji)千(qian)瓦(wa)的紅外(wai)激光器功(gong)率,切(qie)換到(dao)藍光時(shi)隻(zhi)需(xu)要500 W,並(bing)且解決了紅(hong)外激光焊接時大(da)量(liang)飛濺(jian)汙染(ran)的問題(ti)。

   金屬材料的低(di)光學吸收(shou)率

   在焊接領域,激光的精(jing)度(du)和靈活性明顯(xian)優於(yu)其它焊接方(fang)法(fa)。激光焊接具有高功率密(mi)度特點(dian),可(ke)在指(zhi)定的、非常小的區(qu)域熔(rong)化目標(biao)材料,形(xing)成尺(chi)寸(cun)精確和美觀(guan)的焊縫,且(qie)熱(re)影(ying)響區小,不會影響材料性(xing)能(neng)。但是,金屬材料的光學(xue)吸收性能差(cha),在一定程(cheng)度上會抵(di)消(xiao)上述(shu)優點,例(li)如在1080nm波長附(fu)近,銅的輻(fu)射能量吸收率隻有5%

    吸收率低意(yi)味著(zhu)需要大量額外的激光能量來產(chan)生(sheng)熔池。然(ran)而(er)一旦(dan)熔池形成(cheng),吸收率就(jiu)會突(tu)然增(zeng)高,導(dao)致(zhi)工藝(yi)過程窗口(kou)非(fei)常狹窄(zhai)、材料熔穿(chuan)。因此(ci),過(guo)程中激光功率和焊接速度必(bi)須(xu)達(da)成微妙(miao)的平(ping)衡。

采(cai)用藍光激光器對銅進(jin)行導熱焊接。這是用紅外激光不可能實現的。

 

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即便如此,熔池本身(shen)也不穩定(ding),容(rong)易(yi)產生大量飛濺。因為(wei)局部(bu)瞬(shun)時蒸(zheng)發會產生微(wei)小的爆(bao)破(po),導致微粒從(cong)焊縫中飛(fei)濺出來,影響(xiang)焊縫質(zhi)量。避免該(gai)問(wen)題的方法是通過改(gai)變焊接參(can)數(shu),例如(ru)設置“Wobbing”運(yun)動,即(ji)走(zou)軌(gui)跡(ji)時激光束(shu)繞(rao)著軌跡上的每(mei)個點做(zuo)微小擺(bai)動。這種非線性的運(yun)動方式,可減少(shao)飛濺問題的嚴重(zhong)程度,但無法根本消除,還(hai)降低了焊接速(su)度。


采用藍光進行深(shen)熔焊,無飛濺。這是放大200倍(bei)的截(jie)麵。

    藍光激光焊接可有效解決(jue)上述問題。藍光的波長約(yue)為450 nm,銅金屬對藍光的吸收率可達65%。高吸收率大大增加(jia)了工藝過程窗口,可通(tong)過參數控(kong)製對焊接效(xiao)果進行細(xi)微調(diao)整(zheng)。藍光焊接可以用在傳導焊和匙(shi)孔(kong)焊兩種方式下,均可實(shi)現(xian)無飛濺焊接。除了質量上(shang)的提(ti)升,藍光焊接銅金屬還具有明(ming)顯的速度優勢(shi),比紅外激光焊接快5倍。

    除(chu)銅外,其它金屬采用藍光焊接也有這(zhe)樣的優點。另外,藍光激光在焊接不同(tong)類(lei)金屬的難題上,也證(zheng)明了其(qi)優勢。許多電子應用需要將銅和不鏽鋼,以(yi)及(ji)銅和鋁連(lian)接起來。不同金屬吸收光輻射的方式不同,熔化溫度也(ye)不同。

    對藍光波長的高吸收率可對焊接參數進行調整。焊接不同金屬的一個(ge)常見問題是金屬間化合物的合金部分,該區域(yu)經常表現出較(jiao)弱(ruo)的機械(xie)和電學特性。而藍光激光焊接可最大限(xian)度地減(jian)少金屬間(jian)化合物的形成,比紅外焊接多(duo)了一個質量優勢。

                        激光器中的可靠的藍色氮(dan)化镓二極(ji)管

    藍光激光焊接的優勢來源(yuan)於材料對450 nm波(bo)長吸收的物理特性。這些固有的物理特性提高了藍光的焊接效率,缺點是功率低。據(ju)了解,目前世(shi)界(jie)上最(zui)高功率的藍光激光器是1500 W。尚(shang)需要開發高功率藍光激光器的關(guan)鍵(jian)技術(shu),例如製造可靠(kao)的藍色氮化镓(jia)(GaN)二(er)極管(guan)、耦(ou)合和組合光學。

1962年(nian)發明的二極管激光器,具有操(cao)作(zuo)簡(jian)單(dan)和體(ti)積小的特點。單個激光二極管的功率受到有源麵積(ji)大小的限製,因此被限製在相(xiang)對較低的輸(shu)出(chu)功率。但通過將許(xu)多單個二極管的輸出組(zu)合起來,能夠(gou)獲得高功率的合成激光輸出。

    受(shou)紅外直(zhi)接二極管激光器(IR direct diode lasers )開(kai)發方法的啟(qi)發(fa),受益(yi)於固(gu)態(tai)照明技(ji)術(solid-state lighting )及其相關技術的進步(bu),工程師(shi)設計了一個集(ji)成了藍色二極管激光器輸出模塊(kuai)的係統,創造出了適合工業(ye)應用的高質量、高功率和高亮(liang)度的光纖(xian)耦合激光器。輸出光束由(you)快軸(zhou)和慢(man)軸準直器微光學(fast-axis and slow-axis collimator micro-optics ),與(yu)傳統的非球(qiu)麵的和偏(pian)光的宏(hong)觀光學( aspheric, and polarizing macro-optics)相結(jie)合。最終(zhong)將(jiang)單光束耦合在200 µm纖芯(xin)的光纖內(nei)。考慮耦合和傳輸損失,光效率仍(reng)接近95%

 

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                                  藍光激光器的應用

     鋰(li)離(li)子電池(chi)通過將多個薄銅片和鋁片相鄰(lin)地分(fen)層來實現高能量密度。多層電極片的連接和電池極耳(er)的焊接,都可以使用藍光激光器焊接。其比常規(gui)的超(chao)聲(sheng)波焊接和紅外激光焊接速度更快,藍光激光器一致性更好(hao),尤其是無飛濺汙(wu)染。因為紅外激光焊接的飛濺汙染物會迅速降(jiang)低電池性能。

 



上圖(tu)顯示(shi)了40層(ceng)10µm厚(hou)的銅箔(bo)采用藍光焊接後的截麵,無(wu)缺(que)陷焊縫。

    焊接速度和質量在其它消費電子應用上也同樣(yang)重要。在許多消費電子產品中,銅必須連接到鋁(lv)甚(shen)至(zhi)不鏽鋼上。焊接不同的材料往往(wang)會產生金屬化合物區域——組成和結構不同的區域,金屬間化合物會降低電傳導質量和焊縫(feng)機械強(qiang)度。采用藍光焊接比現有技術更有優勢。

    藍光激光也適用於電子產品的大批(pi)量製造,例如手機、平板(ban)電腦(nao)、計算(suan)機等任何(he)以銅為主要元件(jian)的應用中。藍光激光在焊接銅、不鏽鋼(gang)和鋁方麵已經證明了其優勢。事(shi)實上,藍光激光也適用於薄金屬之(zhi)間的低/無缺陷快速連接。

可以想象(xiang),隨著更高功率藍光激光器的出現,新的應用也會隨之出現。對於藍光激光器來說(shuo),它的優勢與材料對光波吸收的物理(li)特性相關,其它波長激光無法替(ti)代(dai),未來可期(qi)。

 

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