铜激光焊接技术——铜激光焊接难点分析

铜激光焊接技术-分析

铜激光焊接的难点

A。 困难我n 焊接铜

由于铜在室温下对近红外激光的吸收率很低，在焊接过程中大部分入射激光都会被反射，导致铜在激光焊接过程中能量损失严重，激光能量利用率低。同时，由于铜具有良好的导热性，因此激光焊接时的稳定性较差。上述因素使得在采用红外激光焊接铜时必须采用高亮度激光器才能获得相对较好的焊接质量。但焊缝成型不良、热裂纹、飞溅、气孔等焊接问题却无法避免。这些因素都极大地限制了铜激光焊接技术的推广和应用。

下面简单解释一下铜激光焊接的3大难点：

1. 导热系数高，散热快

图1 不同金属的物理性质

导热系数定义：指垂直向下温度梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平横截面积传递的热量。

简单来说：在物体内部取两个相距1米、面积为1平方米、垂直于热传导方向的平行平面。如果两个平面之间的温差为 1K (1°C)，则 1 秒内就会从一个平面发生传导。传递到另一平面的热量定义为材料的导热系数，其单位为瓦特/米·开尔文（W/m·K）。

铜的导热系数为401W/(m*K)，是铝的1.7倍，钢的5倍。高导热性意味着焊接过程中能量传导损失得更快。

导热系数高会导致焊接不牢固（能量不足导致熔深不足），宏观上外观粗糙；微观层面，会导致热影响区过大（过大的传导面积会导致受热时晶粒长大，导致性能下降）。因此，在能量密度较低的焊接工艺（如电弧焊）中，通常需要预热。高能量密度的焊接工艺（激光、电子束焊接）不需要预热，但必须实现与铝和钢相同的熔化过程。更深的焊接往往需要更高的功率和更小的焊点尺寸，这也加剧了铜焊接质量的不稳定。

2. 高反射、低吸收率

图2 铜在不同波段的吸收率

目前高功率激光器主要是光纤激光器。同时光纤激光器的国产化也比较彻底，性价比也高。使用红外激光器（波段1030-1080nm）焊接铜具有很大的成本优势。然而，在室温下，入射激光在初始阶段仅有约3%至5%能被铜吸收，其余部分被反射。这导致焊接铜材料时需要使用更高亮度的激光器。此过程将强化焊接过程。不稳定现象。过多的激光能量反射不仅造成能量利用率低，而且对人员、设备和光学元件造成很大的安全隐患。

3. 激光吸收率波动较大

图3 热导率和吸收率

如图“图3”所示，为不同温度下纯铜的热导率和1um波段红外激光的吸收率变化曲线。从图中可以看出，固态纯铜在室温下的吸收率仅为3%，随着温度升至1250K，达到8%左右，仅提高了5个百分点；同时，导热系数从最高的400W/m*K缓慢下降至约330W/(m*K)。即在固态下，纯铜保持极低的激光吸收率和极高的导热效率，这使得激光加工过程变得异常困难，需要极高的激光功率密度。

然而，在1250~1350K这个极小的温度范围内，纯铜的光吸收率突然“跃升”到15%左右；同时，其导热系数也从原来的330W/mK急剧下降至160W/mK左右。。这导致在激光束功率密度相同的情况下，液态熔池内的热量积累速率瞬间增加数倍。此时，液态铜吸收大量热量，温度进一步升高（2500℃以上），引起剧烈蒸发，形成“钥匙孔”。一旦形成“匙孔效应”，入射激光在匙孔内部多次反射和吸收，激光吸收率飙升至60%左右，进一步加剧内部材料的加热和蒸发。如此巨大的热量输入波动会引起铜熔池剧烈波动，引起熔池内部“微爆炸”和小孔塌陷，产生飞溅和气孔。及其他缺陷。

B. 主要缺陷类型及形成机制

1.虚拟焊接

图4：红外激光焊接铜引起的头部熔接

如图“图4”所示，由于铜的热导率高，激光吸收率低，在起始位置经常会出现这样的现象：起始段无法有效形成。即使没有任何加热痕迹，熔池也会随着温度逐渐升高而开始形成，在初始部分造成“虚焊”。

原因是：初始吸收率低，导致热量输入小。铜吸收的热量通过热传导迅速散发。在激光的持续作用下，铜的温度升高，吸收率随着温度的升高而增加，热量积累开始使铜的一部分熔化，发生导热焊接。然后液铜对激光的吸收率进一步增大，热输入继续增大，匙孔开始出现，深熔焊才开始。当使用的激光光斑尺寸较大、功率较低或焊接速度太快时，这种现象很常见。当功率密度足够高时，激光入射的瞬间即可形成深熔焊接。

2、焊缝成型不良

图5 焊缝成型效果不佳

因为铜激光焊接过程中，不同状态（固态3%、液态15%、匙孔60%）的铜对激光吸收率变化较大，导致焊接过程中熔池剧烈波动。一般熔池波动如上图所示。如果出现波峰，就会很快冷却，来不及对熔池进行回流，形成光滑过渡，造成较大的外观缺陷和过大的粗糙度。

3. 飞溅与毛孔

采用红外激光进行铜线焊接，工艺窗口不稳定，熔深波动最大，容易出现飞溅、熔体喷射、孔洞等缺陷，如图1所示。

图6 Cu-ETP红外焊接样品

如图“图6”所示：激光能量显着集中在小孔内部和下方，最终导致被熔池包围的小孔内部过度膨胀，增大了小孔的不稳定性。为了消除小孔的不稳定性，在焊接过程中，当熔池内的液态金属负荷小于小孔的膨胀压力时，小孔底部的蒸汽膨胀导致熔融金属喷射，形成飞溅，喷射的熔池区域形成表面孔。

图7 飞溅形成机理示意图

图8 飞溅形成的高速摄影

如图“图8”所示，深熔焊时，急剧上升的激光吸收率（60%）导致熔池内部蒸发急剧增加，产生飞溅，导致匙孔塌陷，然后激光再次撞击熔池。在水池上，吸收率从60%下降到20%左右，然后随着蒸发量的增加，重新形成新的匙孔，激光吸收率增加，如此类推。剧烈的热输入波动会引起铜热传导焊和深熔焊的周期性变化，造成熔深交替，使熔深不可控。如图所示，某些区域会出现渗透不足的情况，这也会引起铜金属蒸气蒸发的剧烈变化，导致匙孔内部周期性塌陷和闭合，形成气孔和飞溅。

C. 飞溅和孔隙形成机制

图9 铜激光焊接小孔状态模拟

如图“图9”所示，可以清晰地看到由于铜焊接过程不稳定而产生的飞溅和气孔。这两种缺陷是铜激光焊接过程中最常见的缺陷。以下是简要概述：

1.S飞溅形成机制

图10 激光焊接飞溅形成机理示意图

飞溅熔滴受力分析：铜合金深熔焊接过程中，飞溅熔滴主要受到液体表面张力、自身重力以及匙孔内高压金属蒸气所给予的向上剪切力的影响；剪切力主导的地方。一般情况下，飞溅主要产生于锁孔开口边缘。飞出的主要是钥匙孔边缘的水滴。随着熔池的波动，它们一旦从钥匙孔中钻出来，就会直接面对向上猛烈喷发的金属蒸气，在垂直方向上受到剪切。在剪切力的作用下，克服表面张力和自身重力飞出熔池，形成飞溅。

2. 气孔形成机制

图11 激光焊接气孔形成机理示意图

小孔型气孔主要是激光焊接过程中小孔不稳定造成的。由于匙孔是中空的，一旦匙孔如e所示塌陷，液态熔池就会封闭匙孔，并将金属蒸气卷入熔池中。金属蒸气不能及时从铜熔池表面逸出，在熔池中凝固，在焊缝中形成直径较大的气孔。

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