直接半導體(ti) 激光器由光纖耦合半導體(ti) 激光器模塊、合束器件、激光傳(chuan) 能光纜、電源係統、控製係統及機械結構等構成，在電源係統和控製係統的驅動和監控下實現激光輸出。 

相比光纖激光器，直接半導體(ti) 激光器能量更均勻，光斑更接近平頂分布而不是光纖激光器的高斯分布（圖1）。在實際焊接應用中得到的效果比傳(chuan) 統激光器更加優(you) 越。

 

表1 直接半導體(ti) 與(yu) 光纖激光器的參數對比

 

圖1 直接半導體(ti) （左）與(yu) 光纖激光器（右）光斑對比圖

 

焊縫表麵形態和焊縫橫截麵形貌

采用凱普林半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼，當激光功率為(wei)  2 kW，焊接速度為(wei) 0.2 m/min 時，典型的焊縫表麵形態如圖 2 所示，半導體(ti) 激光焊接低碳鋼時，表麵較不鏽鋼的焊縫形貌更寬，魚鱗紋更明顯。另外，焊縫更寬，熱影響區更大。

 

圖2 半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫表麵

注：(a)低碳鋼， (b)不鏽鋼

半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼，當激光功率為(wei)  2 kW，焊接速度為(wei) 0.2 m/min 時，典型的焊縫橫截麵形貌形態如圖 3 所示。可見半導體(ti) 激光焊接低碳鋼及不鏽鋼的焊縫橫截麵均不同於(yu) 傳(chuan) 統的“釘子頭”形形貌，為(wei) 典型的“U”形焊縫橫截麵形貌。另外，不鏽鋼焊縫橫截麵相較於(yu) 低碳鋼更細長，熔寬明顯更窄、熔深略微較深。

 

圖3 半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫橫截麵

注：(a)低碳鋼， (b)不鏽鋼

 

不同功率下焊縫橫截麵形貌

采用凱普林半導體(ti) 激光器、焊接頭75-145145、離焦量0，在不同功率下焊縫橫截麵形貌不同。隨著功率的增加，焊縫的深度在增加，同時，激光器功率增加也會(hui) 造成熔寬的增加。

 

圖4 不同功率下的橫截麵圖。

焊接速度與(yu) 熔深、熔寬之間的對應關(guan) 係

 

圖5 熔深熔寬對隨焊接速度的變化

半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫熔深隨焊接速度的變化規律如圖 5 左所示。可見該激光焊接兩(liang) 種材料的熔深大體(ti) 相當，均隨著焊接速度的提高而減小。當焊接速度為(wei) 0.2 m/min 時，焊接熔深可達 3.2 mm；當焊接速度為(wei) 3 m/min 時，焊接熔深可達 1 mm。

半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼熔寬隨焊接速度的變化規律如圖 5右 所示。該激光焊接兩(liang) 種材料的熔寬總體(ti) 趨勢大體(ti) 相當，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大於(yu) 不鏽鋼。當焊接速度為(wei) 0.2 m/min 時，低碳鋼熔寬可達 3.88 mm，而不鏽鋼熔寬僅(jin) 為(wei) 2.78 mm；當焊接速度為(wei) 3 m/min 時，低碳鋼熔寬可達1.6 mm，而不鏽鋼熔寬僅(jin) 為(wei) 1 mm。

 

激光功率與(yu) 熔深、熔寬之間的對應關(guan) 係

 

圖6 熔深熔寬對隨功率的變化

 

固定焊接速度為(wei)  0.5 m/min，半導體(ti) 激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫熔深熔寬隨激光功率的變化規律如圖 6 所示。可見隨著激光功率的增加，該激光焊接兩(liang) 種材料的熔深也大體(ti) 相當，均隨著激光功率的增加而增加。當焊接速度為(wei) 0.5 kW 時，焊接熔深約為(wei) 0.7 mm；當激光功率為(wei) 2 kW 時，焊接熔深可達 2 mm。

該激光焊接兩(liang) 種材料的熔寬總體(ti) 趨勢大體(ti) 相當，均隨著焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大於(yu) 不鏽鋼。這與(yu) 固定激光功率，變化焊接速度的規律是一致的。由於(yu) 焊縫上表麵激光能量輸入大，冷卻速度相對較慢，焊縫橫截麵呈典型的上寬下窄的形貌。其中低碳鋼的熱導率明顯大於(yu) 不鏽鋼，這可能是兩(liang) 種材料熔寬差異較大的原因。

 

穿透焊焊縫橫截麵

 

圖7 焊縫橫截麵

采用凱普林半導體(ti) 激光焊接 1.5 mm 厚度的不鏽鋼，當激光功率為(wei) 2 kW 時，焊接速度低於(yu) 0.8 m/min 均能夠焊透板材；當焊接速度為(wei) 0.5 m/min 時，激光功率高於(yu) 1.8 kW 均可焊穿板材。典型的焊縫橫截麵如圖7 所示。

針對激光功率 2 kW、焊接速度為(wei) 0.5 m/min 獲得焊縫橫截麵繼續拋光輻射，並放大 50 倍，測量焊接接頭的焊縫中心區域、熔合線和熱影響區組成，結果如圖7所示。可以觀察到焊縫中心主要以骨架狀等軸晶組織為(wei) 主，偏離焊縫中心的熔合線附近為(wei) 垂直於(yu) 熔池邊界向焊縫中心生長的柱狀晶組織，由於(yu) 焊接熱影響，熱影響區晶粒發生回複和再結晶，形成晶粒尺寸略大的沿軋製方向的晶粒組織。造成焊縫不同區域組織的差異主要與(yu) 凝固過程中的溫度梯度大小有關(guan) ，在焊縫中心區域由於(yu) 冷卻速度較快，熔池中心溫度梯度小，因此形成細小的等軸枝晶組織，而越靠近熔合線附近，溫度梯度越大，晶粒沿與(yu) 熔合線方向垂直向焊縫中心生長，形成略微粗大的柱狀晶組織。

 

接頭顯微硬度分布

 

圖8 顯微硬度分布

圖8為(wei) 上述激光焊接橫截麵中心區域的顯微硬度分布。可見母材的平均顯微硬度約為(wei)  280 HV，焊縫中心的平均顯微硬度約為(wei) 286 HV，焊縫區域的顯微硬度略高於(yu) 母材的顯微硬度，熱影響區平均顯微硬度最低，約為(wei) 269 HV。焊縫的顯微硬度並沒有顯著的差異，其接頭沒有出現明顯的軟化現象。

 

拉伸試驗

圖 9左 為(wei) 母材和穿透焊接焊縫拉伸形貌。可見拉伸樣品斷於(yu) 母材，與(yu) 焊接速度無關(guan) 。即焊縫的抗拉強度與(yu) 母材的抗拉強度相當。試樣的抗拉強度最大為(wei) 869Mpa，延伸率為(wei) 21.83%。

在掃描電鏡下觀察拉伸樣品的斷口形貌，如圖 9右所示。可發現斷口由許多細小的韌窩結構，為(wei) 典型的韌性斷裂。

 

圖9 穿透焊縫拉伸形貌與(yu) 樣品斷口形貌

焊接速度和效果

 

使用220μm的高亮度半導體(ti) 激光器，比上代產(chan) 品的焊接速度可提升75%。

 

圖10  1mm不鏽鋼板的焊接效果@1000W-220μm

凱普林高亮度激光器是凱普林推出的一款KW級產(chan) 品，基於(yu) 凱普林直接半導體(ti) 係統升級改版，體(ti) 積更小、重量更輕。實現220μm輸出1000W，內(nei) 部集成指示光，采用QBH輸出，可與(yu) 商用鏡頭匹配。配備完善的驅動控製係統，並且具有人性化的操控性能。光束呈平頂分布、光束能量分布均勻，適用於(yu) 熔覆、釺焊以及表麵熱處理等應用。該產(chan) 品曾在今年被評為(wei) “維科杯”最佳激光器技術創新獎。

北京凱普林光電科技股份有限公司成立於(yu) 2003年，一直致力於(yu) 研發、設計和製造性價(jia) 比最優(you) 的激光器件。15年來，不斷的技術積累和創新，持之以恒的生產(chan) 工藝改進，對更高產(chan) 品質量標準的追求，使凱普林光電在直接製版印刷（CTP）、激光泵源、激光醫療、照明、科研等多個(ge) 領域得到國內(nei) 外用戶一致認可，成為(wei) 了激光器領域的領導者。