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Applications 应用天地

激光焊接
纳秒脉冲光纤激光器在

异质金属材料焊接中的应用

文/Jack Gabzdyl，Daniel Capostagno；SPI Lasers

众 所周知，纳秒激光器能够 们与传统的 QCW 激
胜任打标、雕刻、切割甚
光器有着显著的不同。
至微加工等诸多工业应用， 根据应用量身定制输
但使用纳秒激光器实现焊接过程，却 入能量的特性，是这
[1]
是个相对较新的话题。 通常，高峰 类激光器作为焊接工
值功率、短脉冲激光器的大多数应用 具的关键。
都与材料去除有关，因此用它们作为 一般来说，当焊
焊接光源，听起来似乎有些违反直觉。 接较薄的材料时，需
但业内人士都知道，基于主振荡器功 要可靠的焊接过程，
率放大器（MOPA）的纳秒光纤激光 以避免工件被焊穿、 图1：焊接到不锈钢按钮上的各种金属。
器的多功能性，能在控制输出特性方 发生变形和翘曲。这个问题可以使用 更大 ；焊接异质材料时，挑战更甚。
面提供无与伦比的灵活性。例如，这 CW 激光器的常规锁眼焊接工艺来解
些激光器可提供脉宽可调的高峰值功 决，但是需要克服材料阈值要求的相 突破传统
率纳秒脉冲输出模式和高频调制准连 对较高的功率（通常 > 200W）。当然， 长期以来，焊接异质金属材料始
续波（QCW）输出模式，还可以作 焊接表面光亮的金属所面临的挑战就 终面临巨大挑战，设计工程师经常被
为更传统的连续波（CW）激光器使用。 告知他们的设计难以完成或者根本无
理论上，人们可能会非常质疑 法实现。每个焊接手册中都会有个表
纳秒激光器的焊接能力。与 CW 和 格，详细说明哪些材料组合可以焊接、
QCW 激光器相比，纳秒脉冲激光器具 哪些材料组合不可以焊接。正如任何
有非常低的平均功率（通常 <100W） 冶金学家都会告诉你的那样，材料的
和仅仅 1mJ 的脉冲能量，这比典型 物理属性和冶金不相容性，决定着材
的二极管泵浦固态（DPSS）激光器 料的可焊性。然而，人们对焊接异质
和 QCW 激光器的能量小 1000 倍。目 金属的研究兴趣始终不减，因为有很
前，这些因素确实将脉冲光纤激光器 多潜在的应用需要这种焊接，特别是
的焊接应用限制在厚度不超过 0.5mm 光亮金属与钢材和铝合金的焊接。
的相对较薄的金属范围内 ；但是最近 多年来，人们在异质金属焊接方
的测试结果表明，这类脉冲光纤激光 面开展了大量研究，不断有更多创新
器的焊接深度已经达到 1mm。纳秒脉 涌现，目前进步仍在继续。SPI Lasers
冲光纤激光器的脉冲持续时间通常在 的纳秒焊接工艺（专利申请中）提供
100~500ns 的范围内，峰值功率可高 了一种差异化金属材料焊接机制，目
图2：使用redENERGY G4脉冲激光器进行铜-铝焊
达 10kW，脉冲重复频率 > 50kHz，它 接（铜在上方，铝在下方）的横截面。 前已经证明这种焊接工艺足以胜任焊

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