焊接技術(shù)自工業(yè)革命以來(lái)，始終是制造業(yè)中不可或缺的核心工藝之一。從最初的手工焊接發(fā)展到如今的自動(dòng)化激光焊接，焊接方法的進(jìn)步推動(dòng)了汽車、航空航天、電子設(shè)備及其他關(guān)鍵領(lǐng)域的快速發(fā)展。然而，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)焊接技術(shù)開(kāi)始顯露出其局限性，尤其是在處理高反射金屬（如鋁和銅）時(shí)，焊接質(zhì)量和效率之間的矛盾愈發(fā)突出：現(xiàn)有的激光焊接采用的激光通常為紅外激光，由于有色金屬在固態(tài)下對(duì)紅外激光吸收率很低，在液態(tài)下吸收率會(huì)階躍上升，導(dǎo)致在焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊接不穩(wěn)定、焊縫存在大量氣孔和裂紋等問(wèn)題，影響整體產(chǎn)品的性能和可靠性。同時(shí)，很高的反射性會(huì)使激光束在金屬表面產(chǎn)生大量回反光，影響焊接設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。
藍(lán)光紅外復(fù)合光源簡(jiǎn)介
在這種背景下，藍(lán)光激光技術(shù)作為一種新興的焊接解決方案，展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：銅、金等有色金屬對(duì)藍(lán)光激光（波長(zhǎng)約為450nm）的吸收率大大高于對(duì)紅外激光的吸收率（銅對(duì)藍(lán)光的吸收率是對(duì)紅外激光吸收率的12倍、金對(duì)藍(lán)光的吸收率更是比紅外光高60倍）。更高的吸收率提升了有色金屬的可焊性，提高了焊接效率，顯著降低了能量損耗。圖1為有色金屬在不同波長(zhǎng)下的吸收率曲線比較。
圖 1：有色金屬在不同波長(zhǎng)下的吸收率曲線。
圖2：藍(lán)光-紅外復(fù)合激光的光斑示意圖。
更為重要的是，可以充分利用藍(lán)光本身的半導(dǎo)體激光特性，即光斑大、能量密度低的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)空間光直接輸出的方式，將藍(lán)光與紅外激光復(fù)合起來(lái)，形成外圈為吸收率高、能量密度低的藍(lán)光大光斑用于焊縫外圍預(yù)熱和緩冷；內(nèi)圈為吸收率低、能量密度高的紅外激光小光斑進(jìn)行深熔焊接（見(jiàn)圖2）。
復(fù)合光源的優(yōu)勢(shì)
這種空間輸出的復(fù)合激光產(chǎn)品具有兩大優(yōu)勢(shì)：
一、焊接表現(xiàn)優(yōu)異
（1）焊接過(guò)程穩(wěn)定，金屬焊縫成型好
外圈的前部藍(lán)光激光在光束行進(jìn)的過(guò)程中，起到快速預(yù)熱的作用。在材料表面形成較淺的表層熔池，規(guī)避了紅外激光從固態(tài)有色金屬到形成液態(tài)后，吸收率的突變過(guò)程。同時(shí)，后部藍(lán)光激光起到了緩冷保溫的作用。這使得熔池的溫度場(chǎng)始終保持穩(wěn)定，形成無(wú)咬邊、無(wú)凸凹的光滑平整焊縫。
（2）熱影響區(qū)小
在藍(lán)光激光承擔(dān)預(yù)熱，即對(duì)抗焊縫周邊散熱的任務(wù)后，紅外激光只負(fù)責(zé)熔化已經(jīng)處于高溫的焊縫，快速形成深熔池，從而大幅降低了焊接過(guò)程中的熱輸入，使得熱影響區(qū)極低。
（3）飛濺少，氣孔率低
復(fù)合激光束的外圈藍(lán)光擴(kuò)大了整個(gè)熔池的開(kāi)口，加上穩(wěn)定的熔池溫度場(chǎng)，使得焊縫內(nèi)部的氣體能夠順利排出，極少有飛濺物，焊縫內(nèi)部的氣孔率低。
二、設(shè)備可靠性高
目前藍(lán)光激光輸出方式主要有兩種：光纖輸出和空間輸出。相較于光纖輸出的技術(shù)路線，廣東霍耳激光推出的空間輸出藍(lán)光激光方案（見(jiàn)圖3），避免了光纖長(zhǎng)時(shí)間工作在短波長(zhǎng)情況下，發(fā)生損傷從而產(chǎn)生激光功率衰減的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備可靠性高。
圖3：藍(lán)光-紅外復(fù)合激光實(shí)物示意圖。
工藝調(diào)優(yōu)后的工業(yè)應(yīng)用案例
為了適應(yīng)金屬激光焊接中不同的焊接方式、不同的材料成分、不同的材料尺寸以及不一樣的焊接要求，復(fù)合激光的藍(lán)光和紅外激光功率均為獨(dú)立可調(diào)，可以自由獲得不同的功率比。此外，內(nèi)圈的紅外激光擺動(dòng)方式也可以根據(jù)不同的需求做調(diào)整。通過(guò)不斷地調(diào)優(yōu)激光工藝參數(shù)，使其能夠滿足目前多個(gè)領(lǐng)域的有色金屬焊接需求。
（1）對(duì)熱輸入極為敏感的IGBT類焊接
在將探針焊接到陶瓷基板時(shí)，需嚴(yán)格控制熱輸入，避免因過(guò)熱導(dǎo)致陶瓷基板的熱損傷或裂紋，同時(shí)還要保證焊接后連接部位的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度（見(jiàn)圖4）。
圖4：復(fù)合激光在IGBT領(lǐng)域的應(yīng)用。
（2）對(duì)氣孔極為敏感的水冷板類焊接
如果焊接部位存在氣孔，那么經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的使用后，水或其他冷媒會(huì)滲進(jìn)氣孔中，輕則影響冷卻效果，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，重則引發(fā)系統(tǒng)故障，造成設(shè)備停機(jī)，增加維修和更換成本。甚至還可能造成安全隱患，尤其是在高壓或高溫環(huán)境下。
圖5右側(cè)的焊縫金相檢測(cè)圖顯示，利用復(fù)合激光焊接水冷板后的焊縫熔深為1mm左右，內(nèi)部無(wú)氣孔。
圖5：復(fù)合激光用于水冷板焊接，左圖為外觀圖，右圖為焊縫金相檢測(cè)圖。
（3）厚銅類焊接
如前文所說(shuō)，復(fù)合激光的藍(lán)光和紅外功率均為可調(diào)。因此，面對(duì)焊接厚度要求較大的應(yīng)用，可以在提高藍(lán)光和紅外激光功率的同時(shí)，依舊保持合適的功率比，完成焊接。圖6右圖可以看出，焊縫表面肉眼可見(jiàn)的光滑平整。
圖6：復(fù)合激光用于厚銅焊接，左圖為厚度測(cè)量圖，右圖為焊縫外觀圖。
（4）異種金屬焊接
得益于藍(lán)光-紅外復(fù)合激光在有色金屬焊接方面的優(yōu)異表現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整激光功率比和擺動(dòng)方式以及焊接速度、光斑偏移等工藝參數(shù)，復(fù)合激光在銅等有色金屬與不銹鋼的異種金屬焊接方面，依舊表現(xiàn)出色。從圖 7中可以看出，銅與不銹鋼形成了具有一定熔深的外觀光滑平整的焊縫。
圖7：復(fù)合激光焊接異種金屬，左圖為紫銅-不銹鋼的焊接外觀圖，右圖為焊縫金相檢測(cè)圖。
結(jié)語(yǔ)
空間直出式藍(lán)光-紅外復(fù)合激光基于底層物理核心原理，同時(shí)配合工藝參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，能夠極大地滿足目前有色高反金屬領(lǐng)域的焊接需求。