研究人員發現，不同的激光對焊接銅有不同的效果，本文對1064 nm和532 nm的疊加激光對銅的焊接進行了研究。

摘要: 在1000 nm波長左右的銅焊接過程中，激光能量的吸收不穩定。在532 nm波長下，銅對激光有穩定的高吸收。以往的研究表明，小孔焊與(yu) 熱傳(chuan) 導焊之間的過渡工藝條件使焊接過程變得穩定，表麵質量好、焊深大。為(wei) 適應脈衝(chong) Nd:YAG激光焊接銅，對焊接質量和效率進行了研究。在熱傳(chuan) 導與(yu) 小孔焊接過渡工藝條件下進行加工。本研究用波長分別為(wei) 1064 nm和532 nm的疊加激光對C1020銅試樣進行了加工。

通過對熔液體(ti) 積的測量和熔珠的分析，闡明了輻照延遲和功率密度對焊接過程的影響。此外，通過三維有限元分析，研究了熔池和小孔形成的動力學過程。采用適當的高功率密度532 nm激光與(yu) 較短的輻照延時疊加，實現了穩定的激光吸收和增加熔液體(ti) 積，實現了銅的高效焊接。

1、背景介紹

隨著航空航天、汽車和電子等行業(ye) 的快速發展，很多部件開始小型化和數字化。有效的能源利用對實現社會(hui) 的可持續發展有重大意義(yi) ，而有效的能源利用可通過高效的能源傳(chuan) 輸來實現。這導致了對具有優(you) 良導電性的材料（如銅）的高需求。隨著銅在各種行業(ye) 中的使用，各產(chan) 品的功能需求正在增加。然而，當使用常規連接方法時，常會(hui) 出現焊接缺陷。因各種工藝參數輸入的能量具有良好的可控性，於(yu) 是激光焊接成了一種良好的連接方法。然而，由於(yu) 銅材料反射率和高導熱性，使用激光進行銅焊接變得很困難。由於(yu) 能源利用率高，低熔點和高導熱性的結合使得獲得良好的焊接質量成為(wei) 一個(ge) 挑戰。

過去的研究表明，當使用兩(liang) 種不同的激光器（如CO2和Nd:YAG激光器）進行焊接時，在相同的工藝參數下，可以獲得不同幾何形狀的焊接截麵。就如Forsman等人所示，造成這一現象的主要原因是，不同材料在不同波長下的吸收率會(hui) 發生變化，以及不同激光波長之間等離子體(ti) 吸收的巨大差異。銅吸收綠色和藍色波長的效率是近紅外波長的十倍以上，維持焊縫所需的能量基本上與(yu) 啟動所需的能量相同。

▲圖1 在室溫條件下不同金屬材料對不同波長的光的吸收係數

Zediker等曾使用500W的藍色激光進行銅焊接。該係統允許以90度角進行焊接，允許將更高功率耦合到銅材料中。在一項類似的研究中，Silva Sa等人討論了450 nm高功率藍色激光在銅焊接中的應用。在Zediker等和Silva Sa等的兩(liang) 項研究中，都報告了藍色激光的高吸收率。藍色激光器發射波長在400nm到480nm之間的光束，而近紅外（NIR）激光器的工作波長在1000nm左右。銅材料以比長激光波長（如1064nm）更高的速率吸收更短的激光波長。藍色激光在銅表麵的吸收率約為(wei) 65%，而近紅外激光的吸收率約為(wei) 5%。在激光材料加工的功率級中，藍色激光器由半導體(ti) 疊層組成，其光束通過直徑為(wei) 幾百微米的光纖傳(chuan) 輸。從(cong) 光纖振蕩器獲得的近紅外激光器具有較低的光束參數積（BPP），與(yu) 藍色激光器相比，其束腰更小。

▲圖2 藍光半導體(ti) 激光的體(ti) 積加熱熱源和光纖激光的體(ti) 積加熱熱源的對比圖

與(yu) 藍色激光器相比，近紅外激光器將獲得更高的輸出功率水平，其高強度對於(yu) 加工高光反射率的銅等金屬材料是必不可少的。隻有采用深熔焊接工藝才能連接厚板，這需要非常高的激光強度，如近紅外激光。盡管藍色激光的吸收率很高，但焊接厚銅板需要更高的激光功率。此外，對於(yu) 藍色激光器，可能需要組合許多較低功率源的輸出，以實現特定工藝所需的總功率。與(yu) 近紅外激光相比，這些缺點使得藍色激光的處理成本更高。因此，銅加工對近紅外激光器的要求很高，需要開發技術來克服與(yu) 近紅外激光器相關(guan) 的挑戰。

正如Shen等人所引用的那樣，Nd:YAG激光器和光纖激光器是兩(liang) 種廣泛使用的固態激光，它們(men) 的激光波長位於(yu) 近紅外區域。本研究采用波長為(wei) 532nm的綠色脈衝(chong) Nd:YAG激光器和波長為(wei) 1064nm的脈衝(chong) Nd:YAG激光器進行銅微焊接。利用非線性光學（NLO）晶體(ti) 和諧波分離器將1064nm激光器倍頻，產(chan) 生綠色激光。

Tadamalle等人討論了激光焊接工藝中工藝參數的影響。要使激光焊接工藝成功，需要仔細考慮和選擇工藝參數。這些參數包括激光參數、材料參數和加工環境參數。在所有激光應用中起主要作用的最重要參數之一是激光功率。需要源源不斷向材料提供激光功率。

在具有小焊接體(ti) 積的激光微焊接中，激光功率的微小變化導致大的焊接變化。對於(yu) 脈衝(chong) Nd:YAG激光器，通過使用實時反饋的功率控製激光器輸出時間內(nei) 的功率，使兩(liang) 者保持一致性，能確保輸出脈衝(chong) 與(yu) 所需脈衝(chong) 之間的精確匹配。Steen和Ion表明，高激光功率可產(chan) 生高有效能量密度，因此可熔化更多材料，從(cong) 而實現更深的焊縫熔透。給定激光束的激光強度由單位照射麵積內(nei) 的激光功率大小給出。因此，通過更高的功率輸出，或通過將激光束聚焦到較小的光斑尺寸，可以獲得更高的強度。由於(yu) 焦點較小，材料會(hui) 快速加熱，從(cong) 而導致更快、更深的穿透。

Maina等人利用1064 nmNd:YAG激光進行了銅微焊接。他們(men) 研究了不同表麵狀態（如表明粗糙度和凹麵形狀）對此的影響，並討論了不同的焊接模式，即小孔焊接模式、熱傳(chuan) 導焊接模式和非熔化焊接模式。結果表明，當1064nm Nd:YAG激光用於(yu) 銅的微焊接時，小孔焊接和熱傳(chuan) 導焊接之間需過渡焊接條件。在過渡條件下，工藝可以穩定，從(cong) 而獲得良好的表麵質量和無孔隙的大穿透深度。過渡加工條件由小孔和熱傳(chuan) 導兩(liang) 種模式組成。

Bono等人和Engler等人曾使用近紅外激光和綠色激光進行銅焊接。值得注意的是，在銅焊接中出現小孔後，近紅外波長激光的吸收率迅速增加，從(cong) 而導致深熔透。在另一項研究中，Zediker等人使用藍色激光對銅進行了小孔焊接。這些研究表明，更短波長的激光（如藍色和綠色激光）即使在小孔形成之前，也能被銅高度吸收。盡管藍色和綠色激光的吸收率很高，但由於(yu) 其功率水平低，在深熔焊接中並不顯效，而近紅外激光能以可承受的成本獲得高平均功率。

此外，與(yu) 高可靠性的近紅外激光係統相比，短波長激光係統複雜且昂貴，帶來了經濟效益問題。因此，高功率NIR激光器對於(yu) 銅微焊接是必不可少的。實現銅材料的深熔焊接需要高強度和高平均功率，但為(wei) 了銅的穩定焊接過程，應考慮穩定點火以提高NIR激光器的吸收率。雖然綠光激光器的平均功率水平較低，但其對銅的高吸收率和較小的光斑直徑使小孔的形成穩定。可以設想，將近紅外激光與(yu) 綠色激光相結合，可以實現銅激光焊接工藝的經濟可行性。如果將兩(liang) 種波長結合起來，並使用綠色激光啟動小孔形成，則可以提高工藝效率，並實現高質量焊接。

Stritt等人使用綠光和近紅外波長的調製脈衝(chong) 激光對鋁和銅進行了激光連接。他們(men) 使用不同的脈衝(chong) 形狀，但兩(liang) 次激光照射之間沒有延遲時間。結果表明，在外加頻率下，脈衝(chong) 形狀調製轉變為(wei) 熔池振蕩。由於(yu) 不同脈衝(chong) 形狀對熔池動力學有很大影響，因此，形成了不同的晶粒結構和金屬間相。當應用熱脈衝(chong) 形狀時，不需要對功率進行調節，在相同的頻率下不會(hui) 有周期性的熔池移動。此外，兩(liang) 次輻照之間的延遲時間使得通過控製較短波長的功率密度來討論溫度或表麵形狀對銅材料吸收特性的影響成為(wei) 可能。

2.材料和方法

2.1.實驗研究

在1.0 nm無氧銅C1020的激光微焊接中，采用了1064nm的脈衝(chong) Nd:YAG激光和脈衝(chong) 綠激光對厚度為(wei) 1.0nm的無氧銅C1020進行激光微焊接。表1列出了兩(liang) 個(ge) 激光係統的主要規格。綠色激光係統的光學設置示意圖如圖3所示。這種綠色激光器是通過使用非直瞄晶體(ti) 和諧波分離器，將直接調製的1064nmNd:YAG激光器的頻率加倍而產(chan) 生的。激光係統僅(jin) 輸出波長為(wei) 532nm的Nd:YAG激光器的二次諧波。

表1 近紅外和綠色激光係統規範

▲圖3 脈衝(chong) 532nm Nd:YAG激光係統的光學裝置

圖4顯示了1064 nm激光和532 nm激光的疊加設置，其中使用了數字示波器和脈衝(chong) 發生器。所用示波器的帶寬為(wei) 150 MHz。脈衝(chong) 發生器產(chan) 生數字延遲，並允許最大頻率為(wei) 10 MHz的精確脈衝(chong) 。它還允許延遲範圍從(cong) 0到2000秒，分辨率為(wei) 5 ps，抖動低於(yu) 25 ps rms。這兩(liang) 種設備可有效設置兩(liang) 個(ge) 激光波長照射期間的輻照延遲時間。

▲圖4 使用脈衝(chong) 發生器和示波器設置1064 nm激光和532 nm激光的疊加。

當532nm激光被照射時，信號從(cong) 振蕩器傳(chuan) 輸到控製麵板，如圖4所示。然後，脈衝(chong) 發生器產(chan) 生用於(yu) 激活1064nm激光振蕩器輻照的信號。通過使用脈衝(chong) 發生器改變時間來產(chan) 生輻照延遲。使用示波器監測波形和延遲。圖5顯示出了當持續時間為(wei) 1.2 ms的532 nm激光脈衝(chong) 疊加到相同持續時間的1064 nm激光脈衝(chong) 上時的延遲，沒有延遲時間且延遲時間為(wei) 0.2 ms。證實了兩(liang) 個(ge) 激光波長的抖動差異非常小。因此，無論輻照延遲如何，抖動的影響可以忽略。

▲圖5 532 nm和1064 nm激光照射疊加的時間延遲圖示

圖6顯示了重疊激光軸對準的設置。532nm激光係統的光纖芯徑為(wei) 100μm。同時使用f 100 mm的準直透鏡和f 50 mm的聚焦透鏡。通過調整1064 nm和532 nm激光器的軸線，可以在試樣的同一點上進行輻照。532nm激光的輻照先於(yu) 1064nm激光的疊加輻照。預計對於(yu) 不同的激光波長，將獲得不同的聚焦位置。結果如圖7所示，當兩(liang) 個(ge) 不同波長由一個(ge) 聚焦透鏡組合時，波長較短的激光總是導致焦距較短。通常，焦距與(yu) 波長成正比，波長與(yu) 折射率成反比。正如Liang等人和Lei和Dang所討論的，焦點長度隨著波長的增加而增加，隨著折射率的增加而減少。實驗中，對532nm激光的焦點位置進行離焦，以獲得與(yu) 1064nm激光相同的輻照位置，並為(wei) 1064nm激光器設置了30μm的光斑尺寸。然後將532nm激光器的聚焦位置調整在約3mm的離焦長度內(nei) ，532nm激光器的光斑直徑為(wei) 200μm。數值孔徑（N.A.）決(jue) 定焦點的大小。聚焦光斑直徑與(yu) 激光波長成正比，與(yu) 聚焦透鏡的N.A.成反比。在本實驗中，所用光學元件的N.A.為(wei) 0.11。

▲圖6 激光軸疊加對準實驗裝置。

▲圖7 疊加中激光焦距和光斑尺寸差異的圖示。

為(wei) 了確定疊加532nm激光器的最佳激光參數設置，首先僅(jin) 使用532nm激光器進行處理，並闡明峰值功率的影響。在處理過程中使用1.2ms矩形形狀脈衝(chong) 。使用的峰值功率範圍為(wei) 0.6千瓦至1.5千瓦。在這種情況下，使用了40μm的激光光斑。通過測量所創建孔的直徑和深度，對加工後的試樣進行評估。

根據測量結果，確定用於(yu) 疊加的激光參數設置為(wei) 532nm，選擇用於(yu) 疊加的總功率密度約為(wei) 1.3 ×108 W/cm2。Maina等人的研究結果表明，當1064 nm激光用於(yu) 銅微焊接時，這種功率密度水平導致小孔焊接和熱傳(chuan) 導焊接之間呈現過渡狀態。在綠光激光器的低功率密度和高功率密度條件下進行了疊加實驗。綠光激光器的低功率密度條件被設置為(wei) 1.98 ×107 W/ cm2,而高功率密度條件設置為(wei) 3.31 ×107 W/cm2.。然而，在所有情況下，兩(liang) 個(ge) 激光器的總功率密度都保持在一個(ge) 恒定值。此外，為(wei) 了闡明疊加中輻照延遲的影響，進行了無延遲、短延遲200μs和長延遲600μs的處理。這些參數設置的影響通過測量產(chan) 生的熔融體(ti) 積和產(chan) 生的穿透深度來表征。在相同的總功率密度下，與(yu) 1064nm激光輻照的結果進行了比較。

2.2.溫度場數值分析方法

正如Semak和Matsunawa(1997)、Dowden(2001)所討論的，用高強度激光輻照金屬材料會(hui) 導致複雜的熱誘導效應現象，其中包括固體(ti) 和蒸發材料中的加熱、熔化、汽化、離解和電離，以及激波。Siwek(2008)、Kazemi和Goldak(2009)以及Rai和DebRoy(2006)的實驗表明，考慮能量守恒定律的前提下，可以通過FEM計算物體(ti) 內(nei) 的溫度場。本研究中考慮了三種效應:表麵加熱、熔化和蒸發。利用非線性瞬態熱傳(chuan) 導方程建立了三維有限元模型，對銅激光疊加微焊接過程進行了動態模擬。采用通用有限元程序ANSYS ' Ver.16.1。通過對熱過程進行數學建模，Alexiades和Solomon(1993)、 Ling等人(1990)和Yilbas等人(2008)已經表明，對於(yu) 瞬態熱傳(chuan) 導，物體(ti) 內(nei) 部的溫度場是隨時間變化的。

無論熱輸入的方向如何，各向同性材料通常表現出恒定的導熱性。因此，考慮三維空間中各向同性銅固體(ti) ，其傅裏葉導熱定律如公式(1)所定義(yi) ，三維瞬態熱傳(chuan) 導方程如公式(2)所定義(yi) 。

x、y和z代表空間變量，T（x、y、z、T）是時間和空間變量的函數，∇是(∂/∂x,∂/∂y,∂/∂z)的函數 ，T為(wei) 溫度，k為(wei) 導熱係數，μf為(wei) 熱流，n〜為(wei) 時間矢量，Qs為(wei) 熱源，c為(wei) 材料比熱容，ρ為(wei) 材料密度。cρ給出了體(ti) 積熱容的測量值。還考慮了對流效應對周圍環境的熱傳(chuan) 遞，詳見公式（3）。

其中，Qc是對流熱通量，T是固體(ti) 邊界表麵的溫度，T0是環境空氣的溫度，h是對流傳(chuan) 熱係數。

圖8為(wei) 本文所采用的有限元模型。仿真模型的幾何形狀為(wei) 圓柱形，厚度為(wei) 1mm，直徑為(wei) 2mm。這些尺寸與(yu) 實驗工作中所用樣品的尺寸相對應。加工在頂部表麵的中心進行。試驗了不同的網格類型和大小，以確定最佳網格分級。離熱輸入區較遠的區域使用課程網格，而在熱輸入區周圍使用精密網格。此外，元件尺寸在整個(ge) 厚度範圍內(nei) 增大，在靠近頂麵處變細。在建立模型時，考慮了密度、導熱係數和比熱的溫度相關(guan) 特性。這些材料屬性的值來自JSTP(2008)文獻。用文獻中的密度和比熱值計算了銅的焓。圖9顯示了材料密度、熱導率和比熱如何隨溫度變化，而圖10顯示了銅的焓與(yu) 溫度的關(guan) 係。

▲圖8 銅微焊接模擬的有限元模型圖解。

▲圖9 材料密度、熱導率和比熱隨溫度的變化。

▲圖10 銅的焓與(yu) 溫度的關(guan) 係。

在該分析中，初始模型溫度設置為(wei) 環境溫度T0 293 K。對於(yu) 未輻照的頂麵，熱流是對流的。傳(chuan) 熱係數10w/（m 2K）為(wei) 模型的圓柱形端麵設置了無限邊界溫度。實驗中考慮了1.2ms矩形波形的單次激光照射。532nm激光的光斑直徑為(wei) 40μm，1064nm激光的光斑直徑為(wei) 30μm。假設532nm激光的上表麵吸收率為(wei) 50%，則1064nm激光的上表麵吸收率為(wei) 10%。Okamoto等人對此進行了實驗研究。然而，如Courtois et al.和Fabbro etal.所示，吸收率隨著滲透深度的增加而增加。

所開發的模型采用體(ti) 積熱源，Qv和a表麵熱源, Q s被應用於(yu) 高斯分布應用，如公式（4） 和（5），和圖11所示。累積熱輸入Q根據公式(6)定義(yi) 為(wei) 兩(liang) 個(ge) 熱源的總熱輸入之和。正如Hanbin et al.(2004)所討論的，體(ti) 積熱源(75%)是跨工件厚度的，而表麵熱源(25%)是在工件上表麵。

▲圖11 有限元分析中熱流輸入模型的說明。

其中，r為(wei) 激光光斑半徑，rd為(wei) 5%光束強度下的激光光斑半徑，Ps為(wei) 上表麵吸收的功率，Pv為(wei) 鎖孔壁吸收的功率，r0為(wei) 鎖孔的初始半徑，hd為(wei) 最大鎖孔深度，rc為(wei) 當前鎖孔半徑，zi為(wei) 當前鎖孔深度。

本實驗對使用532nm和1064nm的單個(ge) 激光器以及兩(liang) 個(ge) 激光器的疊加進行了輻照情況的模擬。使用脈衝(chong) 持續時間為(wei) 1.2ms的矩形波。表2顯示了分析過程中設置的參數。為(wei) 了模擬FEM模型中的疊加現象，在給定的時間延遲內(nei) 啟動532 nm激光產(chan) 生的熱流，然後是532 nm激光（剩餘(yu) 脈衝(chong) 持續時間）和1.2 ms脈衝(chong) 持續時間的1064 nm激光的組合熱流。兩(liang) 種激光器的功率密度與(yu) 實驗條件相似。有限元模型采用0.1 ms的等步長輸入熱量。因此，每個(ge) 脈衝(chong) 使用12個(ge) 步驟。

文章來源：Effects of superposition of 532 nm and 1064 nm wavelengths in copper micro-welding by pulsed Nd:YAG laser,Journal of Materials Processing Technology,Volume 299, January 2022, 117388,https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117388

參考文獻：1,Laser welding components for electric vehicles with a high-power blue laser system，Journal of Laser Applications 32, 022038 (2020); https://doi.org/10.2351/7.0000054

2,Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser,Journal of Laser Applications 33, 032018 (2021); https://doi.org/10.2351/7.0000386