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紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和延展性,且力學性能和加工性能良好,在汽車制造、化工、船舶通信和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域被廣泛使用。激光焊接作為一種先進的焊接技術(shù),被廣泛應(yīng)用于紫銅及銅合金的焊接。由于紫銅表面對傳統(tǒng)的近紅外激光光源具有極高的反射率,當采用高功率近紅外激光焊接紫銅時極其容易產(chǎn)生飛濺。焊接完成后,材料或工件表面附著許多顆粒物,極易造成表面粗糙度變化、劃傷母材、污染焊接頭保護鏡片等后果。隨著技術(shù)成熟的綠光激光器投入市場,這一棘手問題得以有效解決。得益于紫銅及銅合金對綠光波長的較高吸收率,使得綠光激光器成為了紫銅焊接的黃金搭檔,可實現(xiàn)極低飛濺甚至零飛濺焊接。
1.飛濺產(chǎn)生的機理
當激光束作用于材料表面時,金屬發(fā)生融化形成熔池。在激光的持續(xù)加熱作用下,熔池內(nèi)的液態(tài)金屬再受熱“沸騰”,最終材料再吸熱達到汽化,而蒸汽使得熔池內(nèi)部壓力改變,帶出周邊包裹的液態(tài)金屬,形成飛濺物。
2.近紅外激光焊接紫銅容易產(chǎn)生飛濺原因分析
室溫下,固態(tài)銅對近紅外激光的吸收率僅為5%,焊接時隨著銅材料自身溫度的提升,對近紅外激光的吸收率也在提高,在熔點附近增加20%左右。有研究表明液態(tài)銅對近紅外激光的吸收率可以提高到40%左右,而超過沸點汽化后更甚至到達60%左右。所以隨著對近紅外激光吸收率的提高,熔池會存在沖溫過熱的情況,導(dǎo)致材料氣化劇烈,加上銅在熔融狀態(tài)下的粘度及表面張力都很低,在熔池內(nèi)部劇烈的蒸汽壓力作用下,液態(tài)金屬極易被擠出從而產(chǎn)生飛濺。
3.綠光激光焊接紫銅的優(yōu)勢
在室溫下,紫銅對綠光激光的吸收率是近紅外激光的8倍。與近紅外激光相比,綠光激光焊接可在工件等量吸熱情況下,通過增加初始吸收率,減少材料突破熔點后的吸收率變化差值,來降低沖溫過熱,從材料本身的狀態(tài)變化原理上達到避免熔池劇烈沸騰、帶出飛濺的效果。
綠光激光焊接紫銅過程中有著穩(wěn)定且較高的能量耦合效率,可以實現(xiàn)穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)焊接?;跓醾鲗?dǎo)焊的機理,焊接過程無任何飛濺,實現(xiàn)了真正意義上的零飛濺焊接。
綠光激光熱傳導(dǎo)焊接紫銅
同時,在深熔焊模式下,綠色激光焊接紫銅能形成穩(wěn)定的匙孔,有效抑制飛濺的產(chǎn)生,可實現(xiàn)幾乎無飛濺的焊接。
4.綠光激光與近紅外激光焊接紫銅對比
4.1脈沖焊效果對比
綠光激光點焊
紅外激光點焊
4.2連續(xù)焊效果對比
左圖:紅外激光連續(xù)焊,右圖:綠光激光連續(xù)焊
相較于傳統(tǒng)的近紅外激光焊接紫銅,綠光激光在脈沖模式下焊點圓整度更高,一致性更好;在連續(xù)焊模式下,焊縫表面更加光滑平整,無明顯飛濺。
5.綠光激光焊接部分應(yīng)用場景
左圖:散熱片 ,右圖:電池轉(zhuǎn)接片
左圖:汽車配件 ,右圖:連接器