纯铜以其优良的导电性、导热性、延展性，以及在某些介质中良好的耐蚀性，广泛应用于仪器仪表、电力开关、电气设备和电驱系统中。随着新能源行业快速充放电的要求越来越高，熔断器、IGBT中铜材结构件厚度不断增加，鉴于其应用市场和工艺性能需求的提升，本文主要分享了锐科旗帜系列ABP光纤激光器在中厚尺寸紫铜材料上的激光焊接工艺方案，以期为市场提供一种有效的案例参考。
01
激光焊接铜的优势及市场痛点
如图1所示为4mm厚的导电铜排和4mm紫铜连接器件，主要用于大电流的输送、电气设备及关联器件的连接导通。随着连接性能要求的提升，具有优良密封性能和力学性能的熔化焊接技术越来越受到重视。然而，铜的导热系数过高，几乎是纯铁的5倍，纯铝的1.7倍，传统的弧焊方法因功率密度不足，焊接效果并不理想，并且对于较厚的铜及其合金，一般需要进行焊前预热。相比较而言，激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接热影响小等特点，被认为是铜连接的一种合适工艺[1]。但铜的激光焊接同样存在一些难以克服的工艺难点，如红外激光吸收率低、飞溅、爆点等问题。从图2中可以看出，在常温条件下，固体铜对于红外激光表现为很低的吸收率，随着熔化温度的逐渐升高，在温度达到铜的熔点之前，铜对红外光的吸收在5%-10%之间；当铜达到熔点之后，吸收急剧跃升至17%左右。这种巨大的尖峰通常会产生剧烈的反应，导致一些熔化的材料以飞溅的形式排出，尤其是材料厚度较大或熔深要求更大时，实现良好焊缝质量的难度进一步增加。
图1 4mm铜汇流排和4mm紫铜连接器件
图2 纯铜的热导率及其对1064μm激光吸收率随温度的变化趋势图[2]
02
锐科旗帜系列ABP环形光斑激光器在紫铜焊接上的优势
鉴于以上铜材料激光焊接的痛点，锐科提供了旗帜系列ABP激光器在焊接中厚尺寸紫铜材料的解决方案。采用锐科旗帜系列R-6000/6000-ABP（50/150）光束模式可调连续光纤激光器，同时利用摆动焊接头或振镜头通过特定形状编辑进一步调整光束能量空间分布的状态，以实现在获得较大焊接熔深的同时焊接飞溅得以较大程度抑制，焊缝表面爆点现象得以改善。锐科激光旗帜系列R-ABP（Adjustable Beam Profile）光束可调激光器是锐科自研自产的一款焊接利器，能够有效抑制焊接过程中的飞溅，显著提高焊接质量和效率，它采用了锐科研发的定制化光纤合束器，通过将不同的光模块分别独立的耦合进多芯层光纤的中芯和环芯实现高斯/环形/混合光斑等不同模式的精细化输出，其技术特点和应用优势主要包括以下几点：（1）高可靠性和稳定性：采用高亮度、高冗余、长寿命泵浦源以及低光子暗化、高可靠性涂层有源光纤；（2）多模式组合：可实现双模拟量控制以单独控制中芯和环芯功率的输出和模式的调节，能达到不同模式的毫秒级切换；（3）波形编辑功能：具备P网、E网等总线控制和波形编辑功能，以适应不同的应用控制需求；（4）焊接一致性好：能够促进熔池稳定、有效抑制焊接飞溅，焊缝成形稳定、一致性好。图3和图4分别展示了锐科R-ABP激光器中心光束和环形光束不同模式切换的精细化输出图示和稳定熔池抑制飞溅的原理图示。需要注意的是，影响焊接成形质量的因素较多，除了优化工艺参数外，焊前需要对连接处进行清洗以及贴近焊件表面增加保护气帘用于吹散光致等离子体，以便进一步稳定焊接过程。图5中所示为利用高速摄影设备采集的常规单光束焊接紫铜、环形摆动焊接紫铜的过程飞溅情况。由焊接过程高速图像可知，在高功率输入条件下，环形摆动可以很大程度上抑制焊接飞溅。
图3 ABP激光器不同模式切换
图4 常规单纤芯激光器焊接熔池（左）和ABP激光器焊接熔池（右）
03
锐科旗帜系列ABP激光器在紫铜焊接上的工艺案例
采用旗帜系列R-6000/6000-ABP（50/150）连续光纤激光器开展紫铜焊接工艺试验的应用案例如下所述。温度检测试验条件：材料选用2片80mm×40mm×3mm的紫铜板进行叠焊；试验参数为功率6000W+6000W、40mm/s、焊接过程未接保护气、首尾各安置一路检测通道、检测位置距离焊缝中心的距离5mm左右。温度检测试验结果：最高温度约92℃。如图6所示为温度检测仪器和方法。
图6 温度检测仪器和方法
焊接轨迹长度8mm，焊道数量2条，焊道间距2mm。在焊接功率4800W+1800W激光功率及相应的摆动参数和焊接速度条件下。可获得焊后剪切力超过2000N的焊接效果。图7为焊道外观和拉力测试显示。
图7 焊缝外观及拉力检测
在5800W+5800W激光功率及相应的摆动参数和焊接速度条件下，可获得焊后表面熔宽3.0mm左右、背面熔深1.5mm左右的焊缝成形。图8为焊缝宏观形貌及截面金相。
图8 紫铜6mm对接焊焊缝正面、背面形貌及截面金相
在5800W+5800W激光功率及合适的摆动参数和焊接速度条件下，可获得焊后表面熔宽2.8mm左右、界面结合处熔宽1.5mm左右和背面熔宽约1.0mm的焊缝成形。图9为焊缝宏观形貌及截面金相。
图9 紫铜4mm+4mm穿透叠焊焊缝正面、背面形貌及截面金相
图10为IGBT铜板的焊接，上板厚度为1.5mm，下板厚度为0.6mm，焊接后表面宽度为1mm，连接宽度为0.8mm，焊接速度可达250mm/s，焊接热影响控制较好，背面基本无背痕。
图10 紫铜1.5mm+0.6mm叠焊焊缝正面、连接面形貌
参考文献
[1] 郑江鹏,扈金富,王家赞,等.铜及铜合金激光熔化焊接工艺的研究进展[J].热加工工艺,2024,53(13):6-12+29.
[2] Franco D F．Wobbling laser beam welding of copper[D].Lisbon，Portugal：University of Lisbon,2017．
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