銅激光焊接技術篇——銅激光焊接難點分析

銅的焊接難點

由于銅在常溫下對近紅外激光的吸收率非常低，所以在焊接過程中會將大部分入射激光反射掉，導致銅在激光焊接過程中的能量損耗嚴重、激光能量利用率低。同時，由于銅具有良好的導熱性，導致其在激光焊接的過程中穩定性較差。上述因素使得銅在采用紅外激光焊接時必須使用高亮度激光器才能獲得相對優良的焊接質量。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生，這些因素都極大限制了銅激光焊接技術的推廣應用。

下面簡要闡述銅激光焊接的三大難點。

01高熱導率，散熱快

圖1 不同金屬的物理性質

熱導率定義：是指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

簡單來說就是：在物體內部垂直于導熱方向取兩個相距1米，面積為1平方米的平行平面，若兩個平面的溫度相差1K(1℃)，則在1秒內從一個平面傳導至另一個平面的熱量就規定為該物質的熱導率，其單位為瓦特/米·開（W/m·K）。

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

高熱導率在宏觀上會導致虛焊（能量不足導致熔深不足）、外觀粗糙；微觀上會導致熱影響區過大（傳導面積大，導致晶粒受熱長大，導致性能衰減）。因此，在低能量密度的焊接過程中（例如電弧焊），通常需要進行預熱，高能量密度的焊接工藝（激光、電子束焊接）可以不預熱，但要實現與鋁、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量不穩定性。

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，同時光纖激光的國產化比較徹底，性價比很高，采用紅外激光（波段1030-1080nm）對銅進行焊接具有很大的成本優勢。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，這就導致要焊接銅材料時需要采用更高亮度的激光器，這個過程又會加劇焊接不穩定現象。過高的激光能量反射，不僅使得能量利用率低下，而且對人身、設備和光學部件都造成很大的安全隱患。

03激光吸收率波動大

圖3 熱導率與吸收率

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 熱導率與吸收率」所示為純銅在不同溫度下的熱導率以及對1um波段紅外激光的吸收率變化曲線，由圖可見，室溫下的固態純銅吸收率僅有3%，隨著溫度的上升到1250K時達到8%左右，僅提高了5個百分點；同時熱導率則從最高的400W/m*K緩慢降低到330W/(m*K)左右。即在固態時，純銅保持著極低的激光吸收率和極高的導熱效率，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這個極小的溫度區間，純銅對光的吸收率突然“跳躍”到了15%左右；與此同時，其熱導率也由原來的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，液態熔池內的熱積累速度瞬間飆升數倍。此時液態銅吸收大量熱量溫度進一步升高（2500°C以上），產生劇烈蒸發形成“匙孔（keyhole）”，一旦形成“匙孔效應”，入射激光在匙孔內部多次反射吸收，激光吸收率飆升到60%左右，進一步加劇了內部材料的加熱和蒸發，如此巨大的熱輸入波動會導致銅熔池劇烈波動，造成熔池內部“微爆”和小孔坍塌現象，產生飛濺、氣孔等缺陷。

主要缺陷類型及形成機理

01虛焊?

圖4 紅外激光焊接銅時產生頭部虛焊

素材來源：通快

如「圖4 紅外激光焊接銅時產生頭部虛焊」所示，由于銅的高導熱及對激光的低吸收率，往往導致起始位置有一段會出現這樣的現象：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，導致熱輸入小，銅吸收的熱量很快通過熱傳導分散出去，在激光持續作用下，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，出現熱導焊，然后液態銅對激光吸收率進一步上升，熱輸入持續增大，開始出現匙孔，至此深熔焊才開始。這一現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，當功率密度足夠高時，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

因為銅激光焊接過程中，由于銅在不同狀態下（固態3%、液態15%、匙孔60%）對激光吸收率變化較大，導致焊接過程熔池劇烈波動，一般熔池波動如上圖，出現波峰凸起，會很快冷卻，來不及回流熔池，形成平滑過渡，導致外觀缺陷較大，粗糙度過大。

03飛濺和氣孔

采用紅外激光對銅進行直線焊接，具有不穩定的工藝窗口和最大的熔深波動，容易產生如圖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：激光能量在匙孔內部和下部顯著集中，最終被熔池包圍的匙孔內部過度膨脹，增加了匙孔的不穩定性，焊接過程中當熔池液態金屬載荷小于小孔膨脹壓力時，小孔底部蒸汽膨脹造成熔融金屬的噴出，形成飛濺物，噴出的熔池區域形成表面孔洞。

圖7 飛濺形成機理示意圖

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，急劇上升的激光吸收率（60%）使得熔池內部蒸發量劇增，出現飛濺，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，隨后又隨著蒸發量增加重新形成新的匙孔，激光吸收率增加，如此往復。劇烈的熱輸入波動會導致銅在熱導焊和深熔焊周期性變化，出現熔深交替深淺的情況，使得 熔深不可控。如圖所示，會有部分區域熔深不足，同時會導致銅金屬蒸汽蒸發量劇烈變化，使得匙孔內部周期性坍塌閉合，形成氣孔和飛濺。

微課堂小知識｜飛濺、氣孔形成機理

圖9 銅激光焊接匙孔狀態模擬

如「圖9 銅激光焊接匙孔狀態模擬」所示，可以清晰看到由于銅焊接過程不穩定所導致的飛濺和氣孔，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飛濺形成機理

圖10 激光焊接飛濺形成機理示意圖

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、匙孔內高壓金屬蒸汽給到的向上的剪切力；其中剪切力是為主導。一般飛濺主要從匙孔開口邊緣產生，飛出，主要就是匙孔邊緣的液滴，隨著熔池波動一旦從匙孔處露頭，就會直面向上劇烈噴發的金屬蒸汽，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氣孔形成機理

圖11 激光焊接氣孔形成機理示意圖

匙孔型氣孔主要由于激光焊接過程匙孔失穩所致，由于匙孔是中空的，一旦出現匙孔坍塌如圖e，液態熔池就會封閉匙孔，卷入金屬蒸汽進入熔池，當金屬蒸汽無法及時從銅熔池表面逸出，凝固在熔池內，就會形成直徑較大的氣孔在焊縫中存在。

圖12 CRT：1-6軸運動控制系統