异种金属焊接铝和铜等

焊接时广泛采用的一种方法是使用纳秒(ns)脉冲光纤激光器。这些短脉冲、高峰值强度的激光器可能更适合于打标、雕刻和其他材料去除过程,所以凭直觉判断,它们用于材料焊接过程时可能会起相反的作用。但主振荡功率放大器(MOPA)提供的脉冲控制具有出色的参数灵活性,从而实现了可能进行金属接合的处理方式。纳秒脉冲光纤激光器以几微焦到>1mJ的脉冲能量运行,脉冲持续时间范围10-1000ns,并能达到>10千瓦的峰值功率,以高达4MHz的频率运行,从而明显区别于连续波(CW)等传统激光器甚至准CW(QCW)长脉冲激光器,但很多还是在这些范围内运行。

主要的应用领域是将标准电池焊接起来形成更大的电池组,用于电动工具、吸尘器、电动自行车和电动汽车等设备。要求很直接,就是需要产生具有高导电性、高强度、高可靠性的焊缝,同时不会烧穿电池触点或在电池触点上留下痕迹。材料范围很广,从铝和铜等纯金属到镀镍钢和镀镍铜等涂层材料,这些材料能以所有想得到的组合进行接合,每种组合都会提出独特的挑战。这些触点接头的厚度范围通常在100-300μm内,完全在纳秒微焊接工艺的能力范围内。(图2)

图2:镀镍铜与镀镍铜点焊焊缝的横截面。
热输入的控制对于这些焊缝至关重要,因为电池中的焊接穿孔风险很大。纳秒微焊接工艺为焊缝设计提供了多种选择,因为使用振镜光束传输系统可以采用螺旋焊接模式得到焊点。这样就能根据应用定制每个焊点,让每个焊缝的直径和间距成为焊接特定材料组合和厚度的关键,从而更好地控制每个焊点的热输入。

这些激光器的平均功率很低,因此很难实现较高的生产效率,但200W的激光器每秒可以焊接多达20个直径0.8毫米的焊点(视材料和厚度而定),这一速度足以满足多数应用的需求。(图3)

图3:不同金属电池的点焊示例。
该工艺的灵活性意味着通常可以考虑更多的焊缝形状,能使用网格形状高速覆盖大面积区域即是良好的例证。事实证明,该技术能以非常低的热输入有效地焊接各种不同的金属。(图4)

图4:仅用1秒左右的时间对直径4mm、网格形状的不同材料组合完成了微焊接。
随着技术的持续快速发展,在更小的尺寸上作业提出了制造工艺需要持续应对的长期挑战。

纳秒微焊接技术只是众多光纤激光器制造工艺中的一种,光纤激光器制造工艺越来越多用于克服当今工业制造业面临的挑战,是帮助实现当前技术革命的关键。

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