直接半導體激光器由光纖耦合半導體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統、控制系統及機械結構等構成，在電源系統和控制系統的驅動和監控下實現激光輸出。

相比光纖激光器，直接半導體激光器能量更均勻，光斑更接近平頂分布而不是光纖激光器的高斯分布，如圖1。在實際焊接應用中得到的效果比傳統激光器更加優越。

表1 直接半導體與光纖激光器的參數對比

圖1 直接半導體（左）與光纖激光器（右）光斑對比圖

以下所述，以凱普林半導體激光器在不同焊接狀态下的實際效果為例，分析半導體激光器焊接效果與不同參數設置之間的關系。

焊縫表面形态和焊縫橫截面形貌

采用半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼，當激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時，典型的焊縫表面形态如圖 2 所示，半導體激光焊接低碳鋼時，表面較不鏽鋼的焊縫形貌更寬，魚鱗紋更明顯。另外，焊縫更寬，熱影響區更大。

圖2 半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫表面

(a)低碳鋼， (b)不鏽鋼

半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼，當激光功率為 2 kW，焊接速度為 0.2 m/min 時，典型的焊縫橫截面形貌形态如圖 3 所示。可見半導體激光焊接低碳鋼及不鏽鋼的焊縫橫截面均不同于傳統的“釘子頭”形形貌，為典型的“U”形焊縫橫截面形貌。另外，不鏽鋼焊縫橫截面相較于低碳鋼更細長，熔寬明顯更窄、熔深略微較深。

圖3 半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫橫截面

(a)低碳鋼， (b)不鏽鋼

不同功率下焊縫橫截面形貌

采用半導體激光器、焊接頭75-145145、離焦量0，在不同功率下焊縫橫截面形貌不同。随着功率的增加，焊縫的深度在增加，同時，激光器功率增加也會造成熔寬的增加。

圖4 不同功率下的橫截面圖

焊接速度與熔深、熔寬之間的對應關系

圖5 熔深熔寬對随焊接速度的變化

半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫熔深随焊接速度的變化規律如圖 5（左）所示。可見該激光焊接兩種材料的熔深大體相當，均随着焊接速度的提高而減小。當焊接速度為 0.2 m/min 時，焊接熔深可達 3.2 mm；當焊接速度為 3 m/min 時，焊接熔深可達 1 mm。

半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼熔寬随焊接速度的變化規律如圖 5（右）所示。該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢大體相當，均随着焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不鏽鋼。當焊接速度為 0.2 m/min 時，低碳鋼熔寬可達 3.88 mm，而不鏽鋼熔寬僅為 2.78 mm；當焊接速度為 3 m/min 時，低碳鋼熔寬可達1.6 mm，而不鏽鋼熔寬僅為 1 mm。

激光功率與熔深、熔寬之間的對應關系

圖6 熔深熔寬對随功率的變化

固定焊接速度為 0.5 m/min，半導體激光焊接低碳鋼和不鏽鋼焊縫熔深熔寬随激光功率的變化規律如圖 6 所示。可見随着激光功率的增加，該激光焊接兩種材料的熔深也大體相當，均随着激光功率的增加而增加。當焊接速度為 0.5 kW 時，焊接熔深約為 0.7 mm；當激光功率為 2 kW 時，焊接熔深可達 2 mm。

該激光焊接兩種材料的熔寬總體趨勢大體相當，均随着焊接速度的提高而減小。但相同速度下，焊接低碳鋼的熔寬明顯大于不鏽鋼。這與固定激光功率，變化焊接速度的規律是一緻的。由于焊縫上表面激光能量輸入大，冷卻速度相對較慢，焊縫橫截面呈典型的上寬下窄的形貌。其中低碳鋼的熱導率明顯大于不鏽鋼，這可能是兩種材料熔寬差異較大的原因。

穿透焊焊縫橫截面

圖7 焊縫橫截面

采用半導體激光焊接 1.5 mm 厚度的不鏽鋼，當激光功率為 2 kW 時，焊接速度低于 0.8 m/min 均能夠焊透闆材；當焊接速度為 0.5 m/min 時，激光功率高于 1.8 kW 均可焊穿闆材。典型的焊縫橫截面如圖7 所示。

針對激光功率 2 kW、焊接速度為 0.5 m/min 獲得焊縫橫截面繼續抛光輻射，并放大 50 倍，測量焊接接頭的焊縫中心區域、熔合線和熱影響區組成，結果如圖7所示。可以觀察到焊縫中心主要以骨架狀等軸晶組織為主，偏離焊縫中心的熔合線附近為垂直于熔池邊界向焊縫中心生長的柱狀晶組織，由于焊接熱影響，熱影響區晶粒發生回複和再結晶，形成晶粒尺寸略大的沿軋制方向的晶粒組織。造成焊縫不同區域組織的差異主要與凝固過程中的溫度梯度大小有關，在焊縫中心區域由于冷卻速度較快，熔池中心溫度梯度小，因此形成細小的等軸枝晶組織，而越靠近熔合線附近，溫度梯度越大，晶粒沿與熔合線方向垂直向焊縫中心生長，形成略微粗大的柱狀晶組織。

接頭顯微硬度分布

圖8 顯微硬度分布

該圖為上述激光焊接橫截面中心區域的顯微硬度分布。可見母材的平均顯微硬度約為 280 HV，焊縫中心的平均顯微硬度約為 286 HV，焊縫區域的顯微硬度略高于母材的顯微硬度，熱影響區平均顯微硬度最低，約為 269 HV。焊縫的顯微硬度并沒有顯著的差異，其接頭沒有出現明顯的軟化現象。

拉伸試驗

圖9 穿透焊縫拉伸形貌與樣品斷口形貌

圖 9（左）為母材和穿透焊接焊縫拉伸形貌。可見拉伸樣品斷于母材，與焊接速度無關。即焊縫的抗拉強度與母材的抗拉強度相當。試樣的抗拉強度最大為 869Mpa，延伸率為 21.83%。

在掃描電鏡下觀察拉伸樣品的斷口形貌，如圖 9（右）所示。可發現斷口由許多細小的韌窩結構，為典型的韌性斷裂。

焊接速度和效果

使用220 μm的高亮度半導體激光器，比上代産品的焊接速度可提升75%。

圖10 1 mm不鏽鋼闆的焊接效果@1000 W-220 μm

直接半導體激光器的焊接應用是一個相對比較新的應用，相對光纖激光器而言，直接半導體激光器具有光斑質量更均勻，焊接效果更好等優點，雖然部分厚闆無法直接焊接，但在1 mm以内的不鏽鋼闆焊接等領域會以其更優的效果取得更廣泛的應用。

作者簡介

趙巨雲 北京凱普林光電科技股份有限公司 産品線經理

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