光纖激光器目前已經(jīng)成為高功率激光加工應(yīng)用的首選，但在20 世紀(jì)90年代，平均功率在1kW 以?xún)?nèi)的連續(xù)單模光纖激光器首先被推廣于切割應(yīng)用。盡管這些激光器可以被調(diào)制高達(dá)50kHz，他們依然不能解決需要低占空比、高峰值功率、對(duì)熱傳導(dǎo)有要求的點(diǎn)焊應(yīng)用問(wèn)題。近年來(lái)，準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器已經(jīng)在商業(yè)應(yīng)用上獲得成功，主要原因之一便是當(dāng)QCW準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器處于高峰值功率的脈沖模式時(shí)，可以輕松解決低占空比點(diǎn)焊問(wèn)題。通過(guò)大場(chǎng)鏡振鏡高速調(diào)制光束目前用于焊接消費(fèi)電子設(shè)備。這種工藝類(lèi)似于目前汽車(chē)行業(yè)中車(chē)門(mén)及座椅所用到的千瓦級(jí)遠(yuǎn)程焊的縮減版。
圖1. 150/1500 QCW 模塊
IPG Photonics的單模YLR-150/1500-QCW光纖激光器（圖1）在兩個(gè)層面展現(xiàn)出獨(dú)特性。第一，非常高的亮度，帶有標(biāo)準(zhǔn)切割版光纖的單模版可產(chǎn)生小于30μm的光束，同時(shí)還允許進(jìn)行切割和鉆孔應(yīng)用。第二，在連續(xù)輸出模式時(shí)，這些激光器可以產(chǎn)生比脈沖激光器更高的平均功率——例如， QCW系列中150/1500的激光器，在脈沖模式下可產(chǎn)生 150W的平均功率和1,500W 的峰值功率，連續(xù)模式時(shí)平均功率輸出可超過(guò)230W。本文中，介紹的就是這種高亮度激光器在連續(xù)模式下高速焊接多種金屬薄片的例子。
鑰匙孔焊
已經(jīng)有很多關(guān)于千瓦級(jí)高功率激光器鑰匙孔焊接的文獻(xiàn)。最早的文獻(xiàn)是Miyamoto具有劃時(shí)代意義的、關(guān)于高亮度和低平均功率的光纖激光器鑰匙孔焊接。他在該文獻(xiàn)中證明更小的鑰匙孔在熔化金屬的過(guò)程中更有效率。
圖2. 鋁—銅焊接的焊縫正面
使用QCW單模光纖激光器和定焦小光斑，證明可以實(shí)現(xiàn)同等高效鑰匙孔工藝——通常將這稱(chēng)為精密鑰匙孔焊接。
焊接高反材料
激光器與光路傳輸配件的發(fā)展使焊接更多的金屬，特別是高反金屬成為可能。
該領(lǐng)域早期的研究工作主要在于汽車(chē)行業(yè)中將厚度大于1mm的鋁合金與碳鋼焊接以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。用高亮度中紅外光纖激光器配合現(xiàn)已被客戶(hù)完全接受、被稱(chēng)為擺動(dòng)焊接的光束調(diào)制技術(shù)焊接銅這種最難焊接的金屬，即用高功率多模光纖激光器來(lái)焊接非常厚的銅。
焊接實(shí)驗(yàn)
在這些實(shí)驗(yàn)中，光束傳輸系統(tǒng)和激光控制器與傳統(tǒng)激光打標(biāo)平臺(tái)搭建類(lèi)似，唯一不同的是使用了YLR-150/1500-AC-SM（單模）光纖激光器。選用焦距為100mm的標(biāo)準(zhǔn)版準(zhǔn)直鏡和163mm的掃描振鏡——這種組合下光束直徑為23μm。本實(shí)驗(yàn)中多數(shù)使用的輸出功率為227W。25×75mm大小的長(zhǎng)矩形箔片樣件，重疊部分為25mm，并且在樣件的寬度方向，有7條2mm的焊縫所占的長(zhǎng)度為22mm。該樣件配置基本上與相關(guān)的ASTM標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似。
我們進(jìn)行了不同金屬組合的一系列焊接實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)情況下，為不同金屬組合建立局部?jī)?yōu)化程序包括：保持平均功率最高不超過(guò)連續(xù)輸出模式（227W）的98%并逐漸提高焊接速度來(lái)確保穩(wěn)定的鑰匙孔焊接狀態(tài)；如果平均功率在某種材料組合的情況下產(chǎn)生飛濺，就減少平均功率直到焊接過(guò)程中無(wú)飛濺產(chǎn)生；如果產(chǎn)生駝峰（通常在高速焊接不銹鋼時(shí)），就再次調(diào)整平均功率直到駝峰減小到可接受的范圍，并且通過(guò)調(diào)整焊接速度，確定不同材料組合中熔焊質(zhì)量最好時(shí)的焊接速度和功率；以上實(shí)驗(yàn)中均未使用保護(hù)氣。
焊縫強(qiáng)度測(cè)試
最為廣泛采用并最為直接的測(cè)試箔片焊縫強(qiáng)度的方法就是在金屬板之間焊接一條搭焊焊縫。在測(cè)試中進(jìn)行機(jī)械硬化，測(cè)量斷裂面的難度限制了焊縫強(qiáng)度數(shù)值的準(zhǔn)確性。
因此以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)寬度為1 in樣件的最終失效載荷作為實(shí)際半量化方法來(lái)評(píng)估和比較這些不同金屬組合的焊縫強(qiáng)度。這里采用Instron 3366測(cè)試所有不同材料組合的失效形式，并檢查剪切拉伸測(cè)試、焊縫成形和焊縫斷裂。
結(jié)論
大多數(shù)材料組合對(duì)接處失效區(qū)寬度約為60μm，并且所有組合的對(duì)接處失效區(qū)寬度均小于100μm。
這些結(jié)果的驚人特性就是每個(gè)組合的焊接速度。顯然，當(dāng)高于吸收的影響閾值時(shí)，鋁合金的物理特性使非常有效的鑰匙孔焊接工藝成為可能。圖2展示的是銅在鋁合金焊縫中的分布。圖3展示的是鋸齒形焊縫形狀，是另一種可能被用于改進(jìn)焊縫強(qiáng)度和可控性的工藝。
圖3. 鋸齒形鋁—不銹鋼焊接的焊縫
接下來(lái)的測(cè)試包含使用更長(zhǎng)焦、254mm的掃描振鏡焊接100μm不銹鋼箔片。通過(guò)振鏡很容易獲得兩塊100μm302不銹鋼箔片間焊縫質(zhì)量良好，在聚焦鏡上下8mm通過(guò)調(diào)整焊接速度會(huì)增加焊縫寬度和強(qiáng)度。采用這種聚焦系統(tǒng)時(shí)，焊接工藝很容易受到焦點(diǎn)位置的影響，而且如果系統(tǒng)組裝需要獲得不同質(zhì)量的焊縫，自動(dòng)化的需求可以被極大地簡(jiǎn)化。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，焊縫表面一致性好，沒(méi)有常規(guī)條件下焊接這些材料所產(chǎn)生的飛濺。
圖4 掃描電子顯微鏡成像放大600 倍顯示的302 不銹鋼焊接磷青銅
圖4顯示的是磷青銅與不銹鋼焊接的掃描電子顯微鏡（SEM）成像。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)磷青銅一側(cè)的焊接界面進(jìn)行過(guò)失效測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，富含鐵（圖中綠色部分）的焊接基材熔入韌性剪切帶失效的磷青銅并被包圍。
當(dāng)與磷青銅焊接時(shí)，低碳鋼的高焊縫強(qiáng)度需要進(jìn)行更多研究，但所有材料與低碳鋼焊接時(shí)都獲得高焊縫強(qiáng)度。
磷青銅憑借高強(qiáng)度被廣泛用于替代銅，而且焊接磷青銅和黑金屬的能力非常重要。圖5a 中的平滑的焊珠頂部說(shuō)明鑰匙孔焊縫相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定。焊縫表面失效（圖5b）說(shuō)明富銅層的韌性破壞轉(zhuǎn)移到了下層不銹鋼表面。
圖5 磷青銅與不銹鋼焊縫（a），以及放大500 倍以后所顯示的焊縫韌性表面失效
焊接鎳鈦合金與不銹鋼很難是由于其極易脆裂、嚴(yán)重限制焊縫韌性的金屬結(jié)構(gòu)。盡管這里沒(méi)有將韌性量化，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它大大改善了高熱量輸入的焊接工藝。并且盡管該實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有使用惰性保護(hù)氣，這些材料組合確實(shí)能借助氬氣保護(hù)減少金屬化合物的形成。
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