焊接激光器原理（直接半导体激光器的焊接效果解析）

直接半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。

相比光纤激光器，直接半导体激光器能量更均匀，光斑更接近平顶分布而不是光纤激光器的高斯分布，如图1。在实际焊接应用中得到的效果比传统激光器更加优越。

表1 直接半导体与光纤激光器的参数对比

图1 直接半导体（左）与光纤激光器（右）光斑对比图

以下所述，以凯普林半导体激光器在不同焊接状态下的实际效果为例，分析半导体激光器焊接效果与不同参数设置之间的关系。

焊缝表面形态和焊缝横截面形貌

采用半导体激光焊接低碳钢和不锈钢，当激光功率为 2 kW，焊接速度为 0.2 m/min 时，典型的焊缝表面形态如图 2 所示，半导体激光焊接低碳钢时，表面较不锈钢的焊缝形貌更宽，鱼鳞纹更明显。另外，焊缝更宽，热影响区更大。

图2 半导体激光焊接低碳钢和不锈钢焊缝表面

(a)低碳钢， (b)不锈钢

半导体激光焊接低碳钢和不锈钢，当激光功率为 2 kW，焊接速度为 0.2 m/min 时，典型的焊缝横截面形貌形态如图 3 所示。可见半导体激光焊接低碳钢及不锈钢的焊缝横截面均不同于传统的“钉子头”形形貌，为典型的“U”形焊缝横截面形貌。另外，不锈钢焊缝横截面相较于低碳钢更细长，熔宽明显更窄、熔深略微较深。

图3 半导体激光焊接低碳钢和不锈钢焊缝横截面

(a)低碳钢， (b)不锈钢

不同功率下焊缝横截面形貌

采用半导体激光器、焊接头75-145145、离焦量0，在不同功率下焊缝横截面形貌不同。随着功率的增加，焊缝的深度在增加，同时，激光器功率增加也会造成熔宽的增加。

图4 不同功率下的横截面图

焊接速度与熔深、熔宽之间的对应关系

图5 熔深熔宽对随焊接速度的变化

半导体激光焊接低碳钢和不锈钢焊缝熔深随焊接速度的变化规律如图 5（左）所示。可见该激光焊接两种材料的熔深大体相当，均随着焊接速度的提高而减小。当焊接速度为 0.2 m/min 时，焊接熔深可达 3.2 mm；当焊接速度为 3 m/min 时，焊接熔深可达 1 mm。

半导体激光焊接低碳钢和不锈钢熔宽随焊接速度的变化规律如图 5（右）所示。该激光焊接两种材料的熔宽总体趋势大体相当，均随着焊接速度的提高而减小。但相同速度下，焊接低碳钢的熔宽明显大于不锈钢。当焊接速度为 0.2 m/min 时，低碳钢熔宽可达 3.88 mm，而不锈钢熔宽仅为 2.78 mm；当焊接速度为 3 m/min 时，低碳钢熔宽可达1.6 mm，而不锈钢熔宽仅为 1 mm。

激光功率与熔深、熔宽之间的对应关系

图6 熔深熔宽对随功率的变化

固定焊接速度为 0.5 m/min，半导体激光焊接低碳钢和不锈钢焊缝熔深熔宽随激光功率的变化规律如图 6 所示。可见随着激光功率的增加，该激光焊接两种材料的熔深也大体相当，均随着激光功率的增加而增加。当焊接速度为 0.5 kW 时，焊接熔深约为 0.7 mm；当激光功率为 2 kW 时，焊接熔深可达 2 mm。

该激光焊接两种材料的熔宽总体趋势大体相当，均随着焊接速度的提高而减小。但相同速度下，焊接低碳钢的熔宽明显大于不锈钢。这与固定激光功率，变化焊接速度的规律是一致的。由于焊缝上表面激光能量输入大，冷却速度相对较慢，焊缝横截面呈典型的上宽下窄的形貌。其中低碳钢的热导率明显大于不锈钢，这可能是两种材料熔宽差异较大的原因。

穿透焊焊缝横截面

图7 焊缝横截面

采用半导体激光焊接 1.5 mm 厚度的不锈钢，当激光功率为 2 kW 时，焊接速度低于 0.8 m/min 均能够焊透板材；当焊接速度为 0.5 m/min 时，激光功率高于 1.8 kW 均可焊穿板材。典型的焊缝横截面如图7 所示。

针对激光功率 2 kW、焊接速度为 0.5 m/min 获得焊缝横截面继续抛光辐射，并放大 50 倍，测量焊接接头的焊缝中心区域、熔合线和热影响区组成，结果如图7所示。可以观察到焊缝中心主要以骨架状等轴晶组织为主，偏离焊缝中心的熔合线附近为垂直于熔池边界向焊缝中心生长的柱状晶组织，由于焊接热影响，热影响区晶粒发生回复和再结晶，形成晶粒尺寸略大的沿轧制方向的晶粒组织。造成焊缝不同区域组织的差异主要与凝固过程中的温度梯度大小有关，在焊缝中心区域由于冷却速度较快，熔池中心温度梯度小，因此形成细小的等轴枝晶组织，而越靠近熔合线附近，温度梯度越大，晶粒沿与熔合线方向垂直向焊缝中心生长，形成略微粗大的柱状晶组织。

接头显微硬度分布

图8 显微硬度分布

该图为上述激光焊接横截面中心区域的显微硬度分布。可见母材的平均显微硬度约为 280 HV，焊缝中心的平均显微硬度约为 286 HV，焊缝区域的显微硬度略高于母材的显微硬度，热影响区平均显微硬度最低，约为 269 HV。焊缝的显微硬度并没有显著的差异，其接头没有出现明显的软化现象。

拉伸试验

图9 穿透焊缝拉伸形貌与样品断口形貌

图 9（左）为母材和穿透焊接焊缝拉伸形貌。可见拉伸样品断于母材，与焊接速度无关。即焊缝的抗拉强度与母材的抗拉强度相当。试样的抗拉强度最大为 869Mpa，延伸率为 21.83%。

在扫描电镜下观察拉伸样品的断口形貌，如图 9（右）所示。可发现断口由许多细小的韧窝结构，为典型的韧性断裂。

焊接速度和效果

使用220 μm的高亮度半导体激光器，比上代产品的焊接速度可提升75%。

图10 1 mm不锈钢板的焊接效果@1000 W-220 μm

直接半导体激光器的焊接应用是一个相对比较新的应用，相对光纤激光器而言，直接半导体激光器具有光斑质量更均匀，焊接效果更好等优点，虽然部分厚板无法直接焊接，但在1 mm以内的不锈钢板焊接等领域会以其更优的效果取得更广泛的应用。

作者简介

赵巨云 北京凯普林光电科技股份有限公司 产品线经理

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