【Rayclass | 锐课堂】第4期：让1mm以内紫铜焊接变得更加简单高效
提问
紫铜用什么焊接方法焊好？
光纤激光器可以用于紫铜的焊接吗？
焊接过程又需要注意些什么？
本期【Rayclass | 锐课堂】
用四组试验方案进行测试
力图寻找一种适合于
1mm以内紫铜焊接方案
紫铜具有非常优秀的延展性、导电性、导热性以及一定的耐蚀性，在物理结构上具有良好的弹性、耐摩擦、抗磨损等特性，主要用于制作发电机﹑母线﹑电缆﹑开关装置﹑变压器等电工器材和热交换器﹑管道﹑太阳能加热装置的平板集热器等导热器材，因此在建筑工业、电气、机械制造、国防工业等行业被广泛使用。根据论文《紫铜激光焊接工艺及应用研究》里的研究成果，目前铜及铜合金的工业应用占比情况如图1所示。
图1 铜及铜合金在工业应用中的比例
以我们生活中熟知的电脑CPU为例，其工作时会产生较大的热量，如果不能快速散去热量则会影响CPU的性能甚至损坏，常用的散热方法如图2所示，一面风扇散热、另一面紫铜散热，而其中紫铜散热器是需要焊接的。
图2 CPU散热结构
随着紫铜应用的越来越广泛，对紫铜的连接质量要求越来越高，常用的方式就是焊接连接，而目前紫铜焊接还主要集中在传统的搅拌摩擦焊、氩弧焊、超声波缝焊、钎焊、激光焊等方式。
因为紫铜具有高热导率、大膨胀系数以及对红外激光的高反射性，在室温下紫铜对红外激光的吸收率约为5%，加热到熔点附近后吸收率急剧增加到约20%，因此在光纤激光焊接紫铜时小孔底部能量容易过大而导致小孔底部过度膨胀引起小孔失稳，造成焊缝缺陷。
总的来说，光纤激光焊接紫铜时存在几点问题：
1）需求激光能量密度大；
2）易产生气孔、飞溅；
3）焊接过程稳定性差、成型差；
4）焊缝接头性能较差。
针对这些问题，目前主要的控制手段或者焊接方法有以下几个：
01
激光填丝焊
与传统激光焊相比，激光填丝焊对工件加工装配间隙的适应性大，同时通过调节填丝成分可控制焊缝区域组织性能。其焊接形式如图3所示。
图3 激光填丝焊示意图
02
激光-电弧复合焊
激光-电弧复合焊接结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点(如激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的特性，电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势)，极大程度地避免了二者的缺点(如金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、激光设备高的设备成本、低的电-光转化效率等，电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差等)，同时二者的有机结合衍生出了很多新的特点(高能量密度、高能量利用率、高的电弧稳定性、较低的工装准备精度以及待焊接工件表面质量等)，使之成为具有极大应用前景的新型焊接热源。其焊接形式如图4所示。
图4 激光-电弧复合焊示意图
03
表面处理
表面处理后的紫铜对光纤激光的吸收率会有明显增大，从而改善紫铜的焊接性，目前主要的处理手段包含表面黑化处理、添加额外吸光材料涂层等。
04
特殊工艺
室温下紫铜对波长532nm的激光吸收率达30%～40%，基于之前学者研究激光在紫铜焊接中的应用：
（1）将波长532nm激光和波长1030nm激光聚焦在工件表面同一位置来焊接紫铜，发现可以明显抑制飞溅，并显著改善焊缝表面成型，而且工艺可重复性大大提高。
（2）对激光输出功率进行400Hz～600Hz的正弦调制，然后对紫铜进行焊接，发现焊接过程稳定性明显提高，焊缝形状规则，并且焊缝中气孔数量大幅减少。
上述几种处理手段虽然都有不同的良好效果，但是在设备或者工序上均有不同程度的复杂化，在进行一些较为简单工件焊接时性价比并不高。
工序太复杂？PASS！
设备成本高？PASS！
对于1mm以内厚度的紫铜板拼焊、角缝接头焊接等，
是否有更为简单的焊接工艺？
百问不如一测，
那我们现在就开始焊接测试吧：
6kW
焊接方案
设备：锐科激光器RFL-C6000，配100μm芯径光纤以及KUKA机器人
焊接头：普雷茨特YW52激光焊接头，准直镜125mm，聚焦镜250mm
材料及接头形式：紫铜，角缝接头，如图5所示。
图5 接头形式以及焊接方式
具体焊接参数采用了以下四种进行测试：
序号
激光功率（W）
焊接速度（mm/s）
离焦量（mm）
激光束入射角度（θ）
1
3000
60
0
25°
2
3000
120
0
25°
3
4000
160
0
25°
4
4000
200
0
25°
按照以上焊接设备和四组焊接参数进行焊接后，我们得到四组参数焊接效果：(点击图片放大)
1号焊缝
2号焊缝
3号焊缝
4号焊缝
从图中可以看出，不同焊接参数形成的焊缝外观各不相同：
1号焊缝爆孔现象非常严重，成型很差；
2号焊缝存在少量爆孔，成型较差；
3号焊缝未发现爆孔，成型良好，但是存在一定的不均匀；
4号焊缝成型较好，均匀一致，稳定性好。
可以得出结论：焊缝成型受焊接速度影响较大，焊接速度越快，焊缝成型越好，越稳定。
原因分析：光纤激光器在焊接紫铜时，产生焊缝缺陷的原因是因为小孔底部能量容易过大而导致小孔底部过度膨胀引起小孔失稳。这也可以解释为何焊接速度越快，焊缝成型越稳定：高的焊接速度避免了过多的热输入，而且对于接头某个固定位置在焊接过程中产生的小孔存在时间也有较大减少，避免了小孔底部因为长时间的累积热输入而过度膨胀，造成小孔失稳，进而产生焊缝缺陷。
按照以上焊接方案加工后的部位，几乎无需再经过焊后处理工作，为了达到这样的焊接效果，锐科激光技术工程师建议，在焊接过程中，注意控制好接头装夹间隙时，一般建议控制在0.05mm以内，以达到理想的焊接效果。
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