一、背景

在室溫下，銅對近紅外波長（約1 um）的吸收率不到5%，相當于有95%的激光被反射。而銅對綠光藍光波長（約0.43-0.53 um）的吸收率超過40%，比近紅外波段高了接近一個量級。與常見的1 um波段近紅外激光相比，綠光藍光激光器的短波長天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具優(yōu)勢。特別是基于目前蓬勃發(fā)展的高功率光纖激光器技術的綠光光纖激光器，由于平均功率高、光束質量好，穩(wěn)定性強等諸多優(yōu)點，將會迎來廣闊的應用前景。隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，紫銅以其優(yōu)異的導電和耐蝕等物理性能，被廣泛用于新能源汽車匯流排、熔斷器等零件中，對其吸收率較高的短波長激光器備受關注。

市場上能實現(xiàn)商用化的大功率短波長激光器，主要是藍光半導體激光器和綠光激光器，根據(jù)官網(wǎng)報道，不同廠家對應的主要激光器參數(shù)如下：

表-1 前沿短波長激光器輸出指標匯總

對比表1參數(shù)，半導體耦合輸出的藍光激光器能量密度偏低，BPP為15-80 mm·mrad。目前高功率藍光激光器主要以輔助應用為主，較少直接應用于精密焊接和3D打印等精密加工工藝。通快近年推出的1000- 3000W高功率碟片綠光激光器，采用光纖耦合輸出，輸出光束質量相對藍光稍好一些，為2-8 mm·mrad。國內專注于高功率光纖綠光的激光器廠商--深圳公大激光，近幾年陸續(xù)推出了類似的高功率光纖綠光激光器，最高功率為2000W的單模光纖綠光，輸出的光束質量（BPP）為0.27mm·mrad，比通快的碟片綠光小一個數(shù)量級左右。理論上來說，光源的光束質量越好，光束聚焦能力越強，輸入熱影響越小，加工幅面和加工距離的可控性越高，有利于激光加工設備獲得更高的工藝窗口，有助于提高生產應用良率。

本文主要對比公大激光推出的千瓦單模和千瓦多模的性能參數(shù)，從焊接和3D打印兩個應用方向分析，進一步對比兩款單模和多模綠光激光器的實際應用差異，為客戶后續(xù)應用選型提供參考。

對比激光器分別為1000W 單模光纖綠光激光器（見圖-1）和光纖耦合輸出多模千瓦光纖綠光激光器（見圖-2）。

圖-1 1000W 單模光纖綠光激光器

圖-2 光纖耦合輸出--多模千瓦光纖綠光激光器

二、單模和多模連續(xù)綠光關鍵數(shù)據(jù)對比

1、公大激光自研的1000W 單模光纖綠光激光器和多模綠光激光器，光學參數(shù)對比見下： 

*：測試條件，25℃室溫環(huán)境下

表-2  單模和多模連續(xù)綠光關鍵數(shù)據(jù)對比

2、輸出光斑分布對比，單模激光器能量呈高斯形分布，中心能量分布集中，多模激光器呈類平頂形分布，能量分布比較分散，能量分布示意圖如圖3：

3、采用相同的輸入光斑直徑，同樣的光纖配置，進行對比單模和多模的光學特性差異，配置表格見下：

表-3  單模和多模連續(xù)綠光實驗配置對比

三、單模和多模千瓦連續(xù)綠光--紫銅焊接能力測試

采用常規(guī)的1mm紫銅片以劃5條線的方式進行單道焊接試驗，單模和多模激光器功率設置為70%（實際功率約700W），掃描速度150mm/s,測試不同離焦量下各組焊接試樣的熔深值（五條線測試平均值），熔深測試示例見圖5：

圖-5  （上：單模；下：多模）熔深測試示例圖

下表-4是在相同條件下通過使用單模激光器和多模激光器進行焊接對比，能夠清晰的看出單模相較于多模激光，在焦深和熔深均更大，焊接產品時能實現(xiàn)更大的工藝窗口。圖5采用直方圖模式詳細統(tǒng)計了不同離焦量下的熔深分布，圖6是單多模同一參數(shù)下熔寬和熔深照片。由于單模具有大深寬比，因此其焊接精度比多模高很多，不需要很大的激光功率便能實現(xiàn)精密焊接，且焊后熱影響及變形小，通過高速相機檢測焊接時單模多模所產生的飛濺相當。

表-4 單模與多模激光焊接不同離焦量下熔深值--150mm/s掃描速度

圖-6  單多模不同離焦量下熔深值

圖-7 單多模同一參數(shù)下熔寬和熔深

四、應用案例展示

材料的熔深和激光器掃描速度成反比，掃描速度越快，焊接熔深越淺。綜合上述單模和多模千瓦連續(xù)綠光激光器的輸出光學參數(shù)特性和焊接熔深測試數(shù)據(jù)。對比上述焊接數(shù)據(jù)，我們可以得到：

（1）多模焊接，可以得到更寬的焊接軌跡，熔池較淺；有利于薄片焊接，并且得到更小的接觸電阻和更高的焊接拉力。

（2）單模連續(xù)綠光焊接，焊接軌跡面積較小，熔池較深，熱輸入小，熱影響小，有利于精密焊接，或較厚的材料焊接，通過調整離焦量，同樣可以用于精密薄片焊接，工作窗口比多模連續(xù)綠光更大，可以獲得更高的焊接強度，滿足不同的焊接要求。焊接能力上，單模連續(xù)綠光更勝一籌。

下面給出兩個單模連續(xù)綠光的應用案例：

1、熔斷器焊接

采用單模連續(xù)綠光激光器對不同材質不同厚度的熔片和端子進行疊焊。

（1）光學配置：振鏡：30mm；場鏡：F254；擴束鏡：2-10倍。

（2） 三款材料的功率梯度70-90%，速度梯度120-150mm/s，均能夠焊上，復查焊接斷裂位置，熔片均牢固的焊在基材端子上。

焊接效果見下圖：

圖-8 熔斷器焊接效果圖

2、精密3D打印

對應的單模紅外激光器對比，由于綠光波長（532nm）比紅外短一半(1060-1080nm)，同樣配置下聚焦光斑小一倍以上，因此在綠光精密3D打印上，單模連續(xù)綠光在材料吸收率、能量密度、打印品質等方面具有明顯的優(yōu)勢。

從光學參數(shù)上可以看出，單模連續(xù)綠光的聚焦能力，遠高于多模連續(xù)綠光。在單模連續(xù)綠光采用F420的聚焦場鏡，多模連續(xù)綠光采用F255的聚焦場鏡條件下，單模連續(xù)綠光聚焦光斑大小約27.4um , 而多模連續(xù)綠光聚焦光斑為141um左右。明顯可以看出，兩者的加工精度和工作幅面均存在明顯差異。

如果考慮使用相同的加工幅面和高度，采用相同的F255場鏡聚焦，單模連續(xù)綠光具有更明顯優(yōu)勢。純銅粉末為良導體，光束質量、聚集光斑大小、材料熱導性能、粉末粒徑、和鋪粉厚度等因素均對打印精度有直接影響。目前使用單模連續(xù)綠光，進行精密3D打印，希禾增材可以做到最高50um左右的打印精度。打印樣件見下圖-9：

五、總結

由于吸收率穩(wěn)定，適當控制離焦量，可以較好地控制綠光焊接過程產生的飛濺情況。對比千瓦單模綠光和千瓦多模綠光應用測試，主要結果見下：

1、單模連續(xù)綠光應用優(yōu)勢：

（1） 單模相較于多模激光其焦深和熔深均更大，在同一參數(shù)下，單模激光作用下其深寬比為7.6，而多模激光作用下其深寬比為1.05，因此單模激光相較于多模激光具有更強的穿透力；

（2） 能量密度更高，相同功率焊接產品時，能實現(xiàn)更大的工藝窗口；

（3） 由于單模具有大深寬比，因此其焊接精密度比多模高很多，不需要很大的激光功率便能實現(xiàn)精密焊接，且焊后熱影響及變形小；

（4） 由于聚焦光斑更小，可以獲得更精細的焊接，實現(xiàn)更高的加工精度；

（5） 光束質量更好，實際使用時可使用更長焦距場鏡，加工幅面更大；該優(yōu)點在3D打印上，可以大幅增加打印樣件的尺寸，減少材料飛濺對場鏡的影響。

（6） 由于能量密度高，精密焊接時所需平均功率更小，所以單模連續(xù)綠光使用功率一般較低，相對多模連續(xù)綠光能效比更高。

2、多模連續(xù)綠光的優(yōu)勢：

（1） 多模千瓦連續(xù)綠光，采用光纖傳輸，光路相對靈活；

（2） 焊接薄片時，單筆可獲得更寬的焊縫，有助于提高效率；

（3） 平頂光斑，均勻性更好，在超薄片上焊接，背痕控制更精準。

千瓦單模連續(xù)綠光和千瓦多模連續(xù)綠光，在精密焊接應用上各有優(yōu)勢；在精密3D打印應用上，單模連續(xù)綠光具有明顯的精度優(yōu)勢。

建議大家可以在銅等高反材料的精密加工上，根據(jù)各自的需求，選擇單�；蚨嗄＿B續(xù)光纖綠光激光器。

轉自：公大激光

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