激光焊的分类(光纤、二极管、碟片、CO2 激光器：激光焊接中应该如何选择？)

Posted 2023-06-01

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激光焊的分类(光纤、二极管、碟片、CO2 激光器：激光焊接中应该如何选择？)

在选择激光焊接光源时，应充分考虑焊接材料、接头几何形状、速度等因素。

随着激光焊接在制造业的广泛应用，如何正确选择激光源是制造商需要面对的现实问题。

目前市面上的激光源有光纤、脉冲Nd:YAG、二极管、盘片和CO 2 激光源（CW Nd:YAG激光源基本已经被光纤和盘片激光器取代，故不提在本文中）。

激光源的选择应充分考虑各种因素，如焊接材料、接头几何形状、焊接速度、形位公差、系统集成要求等，当然还要考虑预算。每种激光源都有自己的特点，可以满足不同的焊接要求。当然，在某些情况下也可以更换。

4种激光源

CO 2 激光

CO 2激光器，波长为10604nm，功率为1～20kW，是一种非常成熟的激光器，自1980年代以来一直是高功率加工的主要激光源。

光纤激光器

这种高效的二极管泵浦激光器实际上是一种纤芯直径小的硅基光纤。激光源出现在光纤中，无需校正，小芯径光纤映射到聚焦透镜时，最小焦点尺寸可达10微米。紧凑型激光器通常以两种配置进行第一次模拟考试：低功率焊接（小于 300W）。并且多模式适用于大功率焊接。

二极管激光器

二极管激光器单发光面器件功率的提高，新型冷却通道技术的出现，以及可以将光束聚焦成直径小于1000微米的光纤的微型光学元件技术的发展，促进了二极管作为焊接激光器的出现。

碟片式激光器

碟片激光器的扁平YD：YAG晶体薄盘放置在CW激光器的中心——碟片激光器的设计是为了避免棒状激光器的固有问题。使用0.01英寸厚的碟片，另一面由冷却装置支撑。采用这种冷却设计，激光功率可达10kW，光束质量得到保证。

脉冲Nd：YAG激光

该激光器使用单个 Nd: YAG 激光棒通过闪光灯激发产生高峰值和低平均功率进行焊接。例如，相对较低的功率，35W 的平均功率，可以产生 6kW 的峰值功率。峰值功率与窄脉冲宽度相结合，既保证了材料焊接质量，又为能量输入提供了有效控制。

二、根据穿透尺寸选择激光

激光的选择根据穿透力可分为小于0.01in、0.01～0.03in和大于0.03in。

一般来说，可以选择多个激光源完成焊接，但出于性能和预算的考虑，只能选择一两个光源。

当然，最终的决定也可能会受到很多其他因素的影响，比如样品质量、地域因素、售后服务、系统集成商的喜好等等，当然也可能会受到人气的影响。

焊深小于 0.01in（0.254mm)

脉冲Nd：主要采用YAG激光器，其次是光纤激光器。

考虑到组件组装、接头形状、材料和涂层，需要更好地控制整个焊接过程，脉冲 Nd:YAG 激光器是最佳选择。

使用峰值功率可以产生光斑尺寸大于1000微米的焊束，在光斑尺寸的选择上具有很大的灵活性，从而最大化焊接本身的工艺窗口，保证生产环境中必要的公差。

光纤激光器是该类别中唯一的连续波激光器，因为光纤激光器可以使光束聚焦后的光斑尺寸小于25微米，从而获得焊接所需的高功率密度。

为了保证微加工领域的价格竞争力，光纤激光器的功率一般不超过200W，限制了其最大光斑尺寸，无法提供足够的功率密度。

一般焊点的尺寸不超过75微米。

这是光纤激光器的最大限制之一。

在实际生产中，根据配合公差和叠加公差调整接头/部件时，往往无法保证±15mm的误差范围。

光纤激光器主要用于对焊接接头要求较高的薄材料的搭接焊接，以保证稳定性。

光纤激光器采用焦距为150毫米的透镜，可产生直径小于25微米的光斑，为加工带来足够的操作空间。

采用搭接焊，光纤激光器可以高速获得熔深0.01英寸甚至高于0.01英寸的焊缝；

200W单模光纤激光器以高达50In/s的速度可以获得0.004in的穿透深度。

相比之下，脉冲Nd：YAG激光器可以满足除薄箔焊接以外的所有应用。

激光器的光斑尺寸、脉冲宽度和峰值功率范围大，经过调整优化后几乎可以满足各种焊接要求。

0.01 ~ 0.03in (0.254-0.762mm) 焊缝熔深

上述脉冲Nd：YAG激光器和光纤激光器的应用分类在这里仍然有效，但范围较窄。

脉冲Nd：大部分点焊采用YAG激光器，而对焊和低公差角焊可采用功率约500W、光斑直径0.01μm的光纤激光器。

脉冲Nd：YAG激光器性价比较高。

500W和25W激光器可以在不同的焊接速度下带来不同的熔深；

峰值功率可以保证熔透性能，而平均功率可以保证缝焊的焊接速度。

功率在500~800W之间的二极管激光器可以焊接公差较大的元件，速度一般比光纤和盘式激光器慢，但较大的公差可以弥补这一不足。

焊缝深度大于 0.03 英寸（0.762 毫米）

所有激光器都适用于这个范围。

脉冲Nd：YAG激光的穿透深度约为0.05英寸（1.27毫米），而其他类型的激光可以达到0.25英寸（6.35毫米），有的甚至超过0.5英寸（12.5毫米）。

一般来说，这个范围内适合脉冲Nd:YAG激光器的焊接部位比较少，比如有缝焊的压力传感器。

此外，在速度和渗透率方面，汽车行业基本上涵盖了几乎所有应用，光纤、CO 2、碟片和二极管激光器都可以使用。

寻求平衡

这些激光源之间的主要区别在于光束质量、亮度和波长。

光束质量是指激光的聚焦能力，亮度是指聚焦光束中的功率密度。

例如，CO 2 激光器和光纤激光器的光束质量相近，如果其他参数相同，它们可以聚焦成相同直径的光斑。

光纤激光源的波长是CO 2光源的十分之一，所以光纤激光源可以产生的光斑直径是CO 2光源的十分之一；光纤激光源的光束质量和亮度更好。

在激光焊接中，穿透深度和速度与光束质量和亮度成正比，但焊接稳定性和公差与光束质量和亮度没有那么直接的关系。因此，必须在焊接性能和质量以及工艺窗口的宽度之间找到平衡点。需要注意的是，为了满足实际需要，可以降低光束质量，但不能改善较差的光束。

在 0.25in 熔深时，上述激光器的焊接速度非常接近；光纤和碟片比 CO 2快，而二极管比 CO 2慢。

使用更高功率的激光器进行焊接通常需要两班倒，这意味着选择哪种激光器也与购买激光器的成本有关。

虽然CO 2 激光器的用户众多，对这项技术非常熟悉，但CO 2 激光器的单次焊接成本远高于光纤、碟片和二极管激光器。

与等离子和电弧焊相比，激光焊接在熔深要求大于0.25in的焊接应用中更具优势，并且可以大大减少热变形。热变形的减少可以保持零件的几何形状，从而不再需要重新加工零件的几何形状。在这个厚度下，零件的匹配可能会出现问题。可采用填丝工艺流程或激光焊、等离子焊、弧焊相结合的工艺流程。

三、结论

激光焊接的激光源有很多种，每种都有自己的特点，适合不同的需求。对于用户来说，充分了解哪种激光源最能满足其焊接需求非常重要。

如果您需要焊接系统，最好的方法是与系统供应商合作，他们可以决定最好的激光器。此外，您可以联系不同的激光器制造商并将焊接样品发送给他们以确定最佳解决方案。

选择激光器时，请记住焊接需要在熔深、速度、稳定性、生产部件适应和公差方面进行平衡。