銅激光焊接技術(shù)篇——銅激光焊接難點(diǎn)分析

銅的焊接難點(diǎn)

由于銅在常溫下對(duì)近紅外激光的吸收率非常低，所以在焊接過程中會(huì)將大部分入射激光反射掉，導(dǎo)致銅在激光焊接過程中的能量損耗嚴(yán)重、激光能量利用率低。同時(shí)，由于銅具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)致其在激光焊接的過程中穩(wěn)定性較差。上述因素使得銅在采用紅外激光焊接時(shí)必須使用高亮度激光器才能獲得相對(duì)優(yōu)良的焊接質(zhì)量。但仍然避免不了焊縫成形差、熱裂紋、飛濺、氣孔等焊接等問題的產(chǎn)生，這些因素都極大限制了銅激光焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用。

下面簡要闡述銅激光焊接的三大難點(diǎn)。

01高熱導(dǎo)率，散熱快

圖1 不同金屬的物理性質(zhì)

熱導(dǎo)率定義：是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1℃/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

簡單來說就是：在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取兩個(gè)相距1米，面積為1平方米的平行平面，若兩個(gè)平面的溫度相差1K(1℃)，則在1秒內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)至另一個(gè)平面的熱量就規(guī)定為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率，其單位為瓦特/米·開（W/m·K）。

銅的熱導(dǎo)率401W/(m*K)，是鋁的接1.7倍，鋼的5倍，高熱導(dǎo)率意味著焊接過程，能量傳導(dǎo)散失更快。

高熱導(dǎo)率在宏觀上會(huì)導(dǎo)致虛焊（能量不足導(dǎo)致熔深不足）、外觀粗糙；微觀上會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)過大（傳導(dǎo)面積大，導(dǎo)致晶粒受熱長大，導(dǎo)致性能衰減）。因此，在低能量密度的焊接過程中（例如電弧焊），通常需要進(jìn)行預(yù)熱，高能量密度的焊接工藝（激光、電子束焊接）可以不預(yù)熱，但要實(shí)現(xiàn)與鋁、鋼同樣的熔深，往往需要更高的功率和更小的光斑尺寸，這也加劇了銅的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定性。

02高反，低吸收率

圖2 銅在不同波段的吸收率

目前，高功率激光器主要以光纖激光為主，同時(shí)光纖激光的國產(chǎn)化比較徹底，性價(jià)比很高，采用紅外激光（波段1030-1080nm）對(duì)銅進(jìn)行焊接具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。但在室溫下，起始階段只有約3~5%的入射激光能被銅所吸收，其余皆被反射，這就導(dǎo)致要焊接銅材料時(shí)需要采用更高亮度的激光器，這個(gè)過程又會(huì)加劇焊接不穩(wěn)定現(xiàn)象。過高的激光能量反射，不僅使得能量利用率低下，而且對(duì)人身、設(shè)備和光學(xué)部件都造成很大的安全隱患。

03激光吸收率波動(dòng)大

圖3 熱導(dǎo)率與吸收率

素材來源：Antoon Blom, Par Dunias, Piet van Engen, Willem Hoving, Janneke de Karmer, “process spread reduction of laser microspot welding of thin copper parts using real-time control” Proc. SPIE 4977. Photon Processing in Microelectronics and Photonics II, (17 October 2003)

如「圖3 熱導(dǎo)率與吸收率」所示為純銅在不同溫度下的熱導(dǎo)率以及對(duì)1um波段紅外激光的吸收率變化曲線，由圖可見，室溫下的固態(tài)純銅吸收率僅有3%，隨著溫度的上升到1250K時(shí)達(dá)到8%左右，僅提高了5個(gè)百分點(diǎn)；同時(shí)熱導(dǎo)率則從最高的400W/m*K緩慢降低到330W/(m*K)左右。即在固態(tài)時(shí)，純銅保持著極低的激光吸收率和極高的導(dǎo)熱效率，這使得激光加工過程極為困難，需要用到極高的激光功率密度。

但是在1250~1350K這個(gè)極小的溫度區(qū)間，純銅對(duì)光的吸收率突然“跳躍”到了15%左右；與此同時(shí)，其熱導(dǎo)率也由原來的330W/mK陡降到160W/mK左右。這使得在激光束功率密度相同的情況下，液態(tài)熔池內(nèi)的熱積累速度瞬間飆升數(shù)倍。此時(shí)液態(tài)銅吸收大量熱量溫度進(jìn)一步升高（2500°C以上），產(chǎn)生劇烈蒸發(fā)形成“匙孔（keyhole）”，一旦形成“匙孔效應(yīng)”，入射激光在匙孔內(nèi)部多次反射吸收，激光吸收率飆升到60%左右，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部材料的加熱和蒸發(fā)，如此巨大的熱輸入波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致銅熔池劇烈波動(dòng)，造成熔池內(nèi)部“微爆”和小孔坍塌現(xiàn)象，產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷。

主要缺陷類型及形成機(jī)理

01虛焊?

圖4 紅外激光焊接銅時(shí)產(chǎn)生頭部虛焊

素材來源：通快

如「圖4 紅外激光焊接銅時(shí)產(chǎn)生頭部虛焊」所示，由于銅的高導(dǎo)熱及對(duì)激光的低吸收率，往往導(dǎo)致起始位置有一段會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：起始段無法有效形成熔池，甚至沒有任何加熱印記，隨著溫度逐漸升高，開始形成熔池，造成起始部分“虛焊”。

原因在于：起始吸收率低，導(dǎo)致熱輸入小，銅吸收的熱量很快通過熱傳導(dǎo)分散出去，在激光持續(xù)作用下，銅溫度升高，吸收率隨溫度升高而升高，熱量累積開始能夠熔化一部分銅，出現(xiàn)熱導(dǎo)焊，然后液態(tài)銅對(duì)激光吸收率進(jìn)一步上升，熱輸入持續(xù)增大，開始出現(xiàn)匙孔，至此深熔焊才開始。這一現(xiàn)象常見于使用的激光光斑尺寸交大、功率較低或者焊接速度過快時(shí)，當(dāng)功率密度足夠高時(shí)，可以在激光入射瞬間形成深熔焊接。

02焊縫成形差

圖5 較差的焊縫成形效果

因?yàn)殂~激光焊接過程中，由于銅在不同狀態(tài)下（固態(tài)3%、液態(tài)15%、匙孔60%）對(duì)激光吸收率變化較大，導(dǎo)致焊接過程熔池劇烈波動(dòng)，一般熔池波動(dòng)如上圖，出現(xiàn)波峰凸起，會(huì)很快冷卻，來不及回流熔池，形成平滑過渡，導(dǎo)致外觀缺陷較大，粗糙度過大。

03飛濺和氣孔

采用紅外激光對(duì)銅進(jìn)行直線焊接，具有不穩(wěn)定的工藝窗口和最大的熔深波動(dòng)，容易產(chǎn)生如圖1所示的飛濺（spatter）、熔融金屬噴濺（melt ejection）、孔洞(hole)等缺陷。

圖6 Cu-ETP紅外焊接樣品（V=6m/min, P=1500W）：(a) 高速攝像熔化金屬噴濺；（b）焊縫噴濺；（c）b中噴濺放大

素材來源：Heider A , Stritt P , Hess A , et al. Process Stabilization at welding Copper by Laser Power Modulation[J]. Physics Procedia, 2011, 12:81-87.

如「圖6 Cu-ETP紅外焊接樣品（V=6m/min, P=1500W）」所示：激光能量在匙孔內(nèi)部和下部顯著集中，最終被熔池包圍的匙孔內(nèi)部過度膨脹，增加了匙孔的不穩(wěn)定性，焊接過程中當(dāng)熔池液態(tài)金屬載荷小于小孔膨脹壓力時(shí)，小孔底部蒸汽膨脹造成熔融金屬的噴出，形成飛濺物，噴出的熔池區(qū)域形成表面孔洞。

圖7 飛濺形成機(jī)理示意圖

素材來源：Miyagi M , Zhang X . Investigation of laser welding phenomena of pure copper by x-ray observation system[J]. Interactive Cardiovascular & Thoracic Surgery, 2016, 22(4):33-34.

圖8 飛濺形成高速攝影

如「圖8 飛濺形成高速攝影 」所示，深熔焊時(shí)，急劇上升的激光吸收率（60%）使得熔池內(nèi)部蒸發(fā)量劇增，出現(xiàn)飛濺，造成匙孔坍塌，然后激光又打在熔池上，吸收率又從60%降低到20%左右，隨后又隨著蒸發(fā)量增加重新形成新的匙孔，激光吸收率增加，如此往復(fù)。劇烈的熱輸入波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致銅在熱導(dǎo)焊和深熔焊周期性變化，出現(xiàn)熔深交替深淺的情況，使得 熔深不可控。如圖所示，會(huì)有部分區(qū)域熔深不足，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致銅金屬蒸汽蒸發(fā)量劇烈變化，使得匙孔內(nèi)部周期性坍塌閉合，形成氣孔和飛濺。

微課堂小知識(shí)｜飛濺、氣孔形成機(jī)理

圖9 銅激光焊接匙孔狀態(tài)模擬

如「圖9 銅激光焊接匙孔狀態(tài)模擬」所示，可以清晰看到由于銅焊接過程不穩(wěn)定所導(dǎo)致的飛濺和氣孔，這兩種缺陷在銅的激光焊接過程最為常見。這里簡要概述一下：

1飛濺形成機(jī)理

圖10 激光焊接飛濺形成機(jī)理示意圖

飛濺液滴受力分析：在銅合金深熔焊接過程中，飛濺液滴主要受到液體的表面張力、自身重力、匙孔內(nèi)高壓金屬蒸汽給到的向上的剪切力；其中剪切力是為主導(dǎo)。一般飛濺主要從匙孔開口邊緣產(chǎn)生，飛出，主要就是匙孔邊緣的液滴，隨著熔池波動(dòng)一旦從匙孔處露頭，就會(huì)直面向上劇烈噴發(fā)的金屬蒸汽，在垂直方向上受到剪切力作用，克服表面張力與自身重力飛出熔池，形成飛濺。

2氣孔形成機(jī)理

圖11 激光焊接氣孔形成機(jī)理示意圖

匙孔型氣孔主要由于激光焊接過程匙孔失穩(wěn)所致，由于匙孔是中空的，一旦出現(xiàn)匙孔坍塌如圖e，液態(tài)熔池就會(huì)封閉匙孔，卷入金屬蒸汽進(jìn)入熔池，當(dāng)金屬蒸汽無法及時(shí)從銅熔池表面逸出，凝固在熔池內(nèi)，就會(huì)形成直徑較大的氣孔在焊縫中存在。

圖12 CRT：1-6軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)