未来激光焊接主流是什么？如何瓜分这块蛋糕？--激光微焊接的工艺

未来激光焊接主流是什么？如何瓜分这块蛋糕？激光焊接作为一种成熟的连接技术早已进入工业加工行业，最近也被用于燃料电池技术中的接触线圈或双极板焊接等重要用途。不同的连接设计要求和概念需要能够可靠满足边界条件的灵活连接技术。借助空间和时间力调制，可以扩展过程的自由度，并影响钉子的形状和过程的稳定性。

多年来，激光微焊接在世界各地的研究和工业中引起了越来越多的关注。高亮度近红外激光束源的发展和光纤激光器价格的持续下降推动了这一发展。使用这些可以清晰聚焦的辐射源，光束的直径只有 10 µm，由于最大可用激光功率的不断增加，导致强度更高。今天，使用紧凑的 19 英寸机架可以获得大于 400 MW / cm² 的功率。这些高强度特性特别适用于焊接铜和铝。由于材料的特性，高强度保证了深度蒸腾效果，即使低近红外吸收。这些高强度特性与较短的焦距相结合，导致焊接面积减少，这通常对导电接头有害。

一方面，这种情况对于电池技术和电力电子领域的触点来说是不希望的，因为要传输的电流很大，因此需要大的结直径和连接表面。 .电池供电车辆的充电时间与电池组中可以流过的最大电流直接相关，而不会出现热过热和随之而来的电池损坏。

另一方面，当在燃料电池技术中使用双极密封板时，这些小焦距和由此产生的小焊接宽度需要调整通量场设计以提高效率，即使焊接是电气连接的一部分。这是因为较小的焊缝直径会导致流动区域中的结构孔更紧密，从而产生更大的反应面积，从而提高最终燃料电池的效率。

大连接区域的空间功率调制

那么如何在不牺牲深熔焊接工艺所需的力的情况下增加焊缝中焊道的表面积呢？解决方案是调制空间功率。它是一种沿线性行进方向的环形振动，可产生激光束的螺旋轨道运动。这种类型的运动直接带来了几个积极的影响：首先，已经熔化的材料通过激光束通过运动轨迹进行再加工。因此，材料吸收的能量被部分回收。这导致比仅使用线性焊盘几何形状的传​​统焊接更大的罐体积。其次，由于高振荡频率（f = 1000 Hz），获得了很高的卷材速度（v> 700 mm / s），这会影响针孔的倾斜度，从而使深焊的持续时间增加几倍。了解更多 • 光与物质的相互作用 能源消耗。第三，用于描述激光束的振荡螺旋路径的两个附加参数，振幅和频率，为焊接几何形状的设计提供了自由度。因此，传统的 V 型焊缝变成了 U 型焊缝。这意味着焊缝宽度实际上不受焊接过程中局部波动的影响。

总之，空间功率调制的这些积极方面导致过程效率的显着提高。与焊接和激光强度同时，可以增加熔化量。在分析减少二氧化碳排放的有效性时，这一方面尤为重要。因此，提高工艺效率的同时最大限度地减少能源消耗将是未来全球研究的最重要方面之一。

然而，激光束的非对称螺旋路径的缺点是线能量与振动不同。激光束在行进方向上的更大轨道运动导致更少的局部能量供应，反之亦然。这会在进给方向的焊缝深度处引起振动。

调制的时间效应及其对过程的影响

影响激光束焊接过程的另一种可能性是随时间调制。在激光束加工过程中，连续激光束源的脉冲形状与激光功率的时间分布之间存在很大差异。

虽然时间脉冲整形主要用于脉冲辐射源，以影响凝固过程中的热和冶金性能，但它用于整个焊缝长度的连续焊接。直流功率调制的最常见实现之一是正弦调制与激光功率的叠加。研究表明，焊接质量得到改善，焊接深度变化减少，尤其是在频率 <1 kHz 时。

拉伸位移试验后，铝板表现出明显的塑性变形，表明接头具有塑性。尽管金属间化合物结构复杂，但断层远离接头（富 IMC），可能位于铝热冲击区（HAZ）。需要对这些领域的性质进行具体研究。然而，在几种金属间化合物中，Cu-Al结构中的粘合强度高于Al基金属（1230n）。调制脉冲的剪切力具有可比性，主要结果是强调这样一个事实，即尽管有 Cu-Al 控制混合物，但它仍然提供了文献中描述的 Al-Cu 配置中的塑性参考行为。成为。

微观结构分析是通过剪切焊接然后研磨和抛光进行的。对于铜铝配置，建议使用高搅拌速度。尽管金属间化合物结构复杂，但通过振荡激光脉冲可以实现有效的接头塑性。

无限形状的脉冲激光束的振荡导致 Cu-Al 熔化区的界面不连续。从而得到具有不同程度的铜和铝相互扩散的区域。这导致脆性和延展性金属间化合物沿焊缝的横截面分裂。脉冲形式 A、B、C 和 D 会导致不同程度的混合。由于所有类型的脉冲 (4.02 J) 的能量相同，因此作为脉冲时间函数引入的效应明显影响了混合物。由于有限的主动焊接时间为 1.75 ms，具有预热区、主动焊接和冷却的脉冲 A 显示出比具有方形截面的脉冲 D 更低的铜和铝的相互扩散水平。 Pulse D 的总造口面积最大。孔的大小从 10m 到 60m 不等。 Pulse A 的孔隙面积最小。

Cu-Al混合物的体积与孔的数量成正比。尽管所有类型的脉冲能量相同，但内部扩散和缺陷（如气孔和裂纹）会随着有效焊接时间的增加而增加。因此，脉冲A可以有效去除铜铝混合物。

从 Cu-Al 横截面的显微图像中出现了不同的形态。光学显微镜和切口被用来解释这些结构。在焊缝中存在以I、II、III和IV为代表的树枝状结构。根据文献中的描述，可能存在各种金属间化合物。在 Al-Cu 键合工艺中发现的主要 IMC 成分是 Al2Cu、Al4Cu9、AlCu 和 Al3Cu4。由于Cu-Al的快速激光焊接过程，在焊接过程中会出现复杂的Al-Cu形貌。在界面区域可以看到尺寸在 5 到 20 µm 之间的金属间化合物结构 II。 Cu-Al 界面富含 Al-Cu 金属间化合物的所有变体。在靠近贱金属Al的熔化区末端，形成了尺寸约为4.4μm的树枝状结构II。

在铜铝激光焊接中，（无限）光束振荡和脉冲调制的结合提高了接头的延展性。在这种结构中，当铜在顶部并且大部分金属间相在焊料中时，铜和铝的相互扩散非常高。然而，这些相在较大焊缝宽度上的分布（通过梁振动）导致接头更具延展性。含有富含金属间化合物的混合熔体和含有有限量金属间化合物相的熔体的不连续界面有助于提高机械强度。脉冲的形状，即功率随脉冲持续时间的调制，会影响应力水平和形成的孔隙数量。与矩形脉冲 D 相比，脉冲 A 在预热、主动焊接和冷却的某些阶段有助于提高剪切强度和减少无孔互扩散。