激光材料加工銅的先決(jue) 條件是聚焦激光輻射和銅表麵之間的直接互相作用，銅表麵需要吸收輻射的一部分。如圖1所示，在室溫下， 拋光銅表麵隻能吸收不到5%的激光輻射（當激光波長為(wei) 1μm時)。盡管如此，可以采取一係列措施來有效地進行銅焊，特別是使用固體(ti) 或光纖激光器。 

    第一個(ge) 措施是塗層使用表麵吸收力更強的金屬， 如鎳或鉻，以及對表麵進行機械準備，例如，粗加工或塗漆也能增加吸收能力。然而，這兩(liang) 種措施會(hui) 增加生產(chan) 成本，因為(wei) 它們(men) 需要額外的加工步驟。銅裏麵的化學雜質也可以影響吸收行為(wei) ，使其更難以實現可再生焊接工藝。從(cong) 吸收曲線可以看出，縮短激光波長將是一個(ge) 優(you) 勢。例如，半導體(ti) 激光器（0.8到1μm，紅光）或頻率翻倍的Nd:YAG激光器（532 nm，綠光）可以提供這些波長的光，盡管這些激光尚未達到銅工業(ye) 可行的階段。在激光輻射入射點的加熱快慢取決(jue) 於(yu) 吸收的程度，過熱的風險和飛濺形成變得不可預測。對點焊來說，重現性差的問題比縫焊更加明顯。每個(ge) 激光脈衝(chong) 衝(chong) 擊冷銅材料會(hui) 經曆不同的初始條件。然而， 由於(yu) 吸收不僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 波長和表麵特征，還取決(jue) 於(yu) 材料溫度（溫度升高時，吸收也顯著提高）和激光輻射的強度，使得提高焊接工藝還有額外的空間。

    覆蓋兩(liang) 種波長 

    將532nm波長的激光脈衝(chong) 覆蓋到1μm波長的激光脈衝(chong) 上能顯著改善銅焊中經常遇到的重現性差的問題。如果兩(liang) 個(ge) 激光束使用相同的上色補償(chang) 透鏡進行聚焦，它通常會(hui) 導致銅表麵從(cong) 焊接位置的中心到邊緣加熱。這是由於(yu) 綠光波長更好的吸收特性，從(cong) 而提高銅的溫度，最終提高兩(liang) 個(ge) 波長的吸收能力。當吸收率增加後，表麵特征的差異就沒那麽(me) 大的影響。例如，如果一個(ge) 激光束由15%綠光和85%紅光組成，兩(liang) 種波長的不同初始吸收能力也考慮在內(nei) ，大約相同能量的綠色和紅外輻射會(hui) 被吸收（在室溫下）。圖2顯示在300μm厚的銅片上進行純紅外焊接（約1 MW/cm2）、純綠光焊接（約1 MW/cm2）以及兩(liang) 種波長的組合焊接的結果。理論上， 兩(liang) 種波長的光斑尺寸大約都是200μm。當使用純紅外脈衝(chong) 時，沒有觀察到熔化的銅表麵，當使用純綠色脈衝(chong) 時，可以看到一些熔化，而將兩(liang) 種脈衝(chong) 進行覆蓋時，會(hui) 導致焊縫池明顯增大。

    工藝細節 

    選擇一個(ge) 適當的紅外脈衝(chong) 形式可以讓相對的綠光部分（比如轉換效率）進行調整。圖3顯示了一個(ge) 典型的紅外脈衝(chong) 形式和由此產(chan) 生的綠色轉換。激光脈衝(chong) 可以分成三個(ge) 階段，後麵將更詳細地描述。在激光脈衝(chong) 的開始階段（0.5到1 ms），將有意設置脈衝(chong) 強度以確保頻率翻倍的紅外輻射的比例最高。紅外和綠色輻射的組合將加熱銅表麵，直到紅光的吸收能力足夠高，銅表麵開始熔化。在熔化階段，典型的脈衝(chong) 功率值在0.5和2.0kW之間，具體(ti) 數據取決(jue) 於(yu) 銅片的厚度。一旦銅開始熔化，脈衝(chong) 功率急劇減少。盡管這意味著接下來隻能轉換很少的綠光，但在熔化階段，紅光的吸收足夠高。從(cong) 這一點開始，將隻繼續使用紅光進行焊接（綠色分量可以忽略不計）。焊接階段的持續時間取決(jue) 於(yu) 焊接點的範圍和深度。當脈衝(chong) 結束時，使用定義(yi) 的時間恒定量來降低功率，從(cong) 而對焊接的冷卻階段產(chan) 生積極影響，也就是其冶金和力學性能（例如硬度）。

    與(yu) 純紅外焊接的比較 

    圖4顯示了純紅外焊接和紅外加綠激光焊接的對比。脈衝(chong) 持續時間大約是1ms，沒有使用脈衝(chong) 整形（矩形脈衝(chong) ）。在圖中上半部分的焊接點是用脈衝(chong) 功率為(wei) 0.8kW的紅外脈衝(chong) 形成的，而圖的下半部分的焊接點是由1kW紅外激光和0.1kW綠激光創建的。正如預期的那樣，純紅外焊接的再現性很差，直徑波動顯，甚至可以觀察到焊接點丟(diu) 失。而紅外和綠激光混合焊的再現性要好得多。沒有識別到缺陷。圖4的插圖顯示了一係列使用圖3描述的脈衝(chong) 形式創建的焊接點。通過使用這種方法創建的焊接點看起來幾乎相同。一個(ge) 更精確的分析表明，焊接光斑的直徑變化遠遠低於(yu) 10%，並且實現了從(cong) 銅帶到基材100% 全焊透焊接。例如，這一數據就符合醫學應用的嚴(yan) 格規範。

    效能考慮 

    在一個(ge) 更深入的調查研究中，純紅外、純綠光和兩(liang) 種光輻射混合的消融閥值強度都得以確定和比較。表格1概述了被測量的消融閥值強度。其中純綠光輻射的強度最低，頻率轉換對流程效率有著很大的限製。但是，如果用光輻射混合來替代純紅外輻射，在相同的激光效率下，消融閥值實際上將減半，從(cong) 而提升流程效率。

    工業(ye) 應用示例 

    Lasag SLS GX 1500激光器配備有GreenMix專(zhuan) 利技術。和其它工業(ye) 綠光激光概念不同，這一解決(jue) 方案僅(jin) 使用一個(ge) 激光源，這自然減少了係統的投資成本。兩(liang) 種波長利用光學纖維和專(zhuan) 用加工頭傳(chuan) 送至銅材表麵。圖表2總結了GreenMix激光器的技術規格。

    使用GreenMix激光器可以解決(jue) 多種工業(ye) 應用。目前這一激光器的工作範圍限製在300μm尺寸以內(nei) 的組件。圖5概述了這一激光對於(yu) 不同節點形式的工作範圍。研發部門正致力於(yu) 突破這一工作範圍的限製，實現對於(yu) 0.5mm及更大尺寸組件的加工。

    現實中，這一激光器的典型應用包括：醫學應用中的帶式接合（例如起搏器）；引線鍵合（例如散熱片上的引線框） 以及電子行業(ye) 和移動設備的導線分離， 還有光伏行業(ye) 中太陽能組件的連接（例如柔性太陽電池）。 

     總結 

    本文概述了顯著提高激光焊接銅材再現性的方法。使用智能脈衝(chong) 成形的紅外和綠光的組合，不僅(jin) 提高了焊接的再現性，還大大增加了流程效率。

作者：Christoph Ruettimann