一、前言

半導體激光器發展于上世紀60年代，如今已經在各行各業中得到了廣泛的應用。半導體激光器可以作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源，也可以直接輸出用作激光加工，直接輸出用作激光加工時稱直接半導體激光器。

受激光器光束質量的限制，傳統半導體激光器在材料加工領域，主要被應用于激光熔覆、激光淬火等方面，而難以滿足對光束質量要求較高的金屬切割及焊接等應用工藝。近年來，随着半導體耦合技術的提高，以及新型合束技術的逐漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導體激光器，逐漸可以滿足激光焊接對光束質量的要求。如熱刺激光器推出的200/220/0.22NA光纖輸出的1800W直接半導體激光器就能滿足3mm以下厚度的大部分金屬材料的焊接。

在金屬焊接領域，光纖輸出的半導體激光器光斑大小适中、光斑對稱性好、材料吸收率高，在焊接過程中熔池穩定、無飛濺、焊縫表面光滑美觀，因此特别适用于汽車激光釺焊及金屬薄闆焊接。目前半導體激光器已經取代了許多傳統焊接技術，發展勢頭迅猛。

圖1 保溫杯焊接示意圖

01、杯口焊接

此保溫杯内膽與外杯身均采用0.3mm厚304不鏽鋼，激光器采用熱刺800W光纖耦合半導體激光器，輸出芯徑200μm，數值孔徑0.22，焊接速度45mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖2所示。

圖2 （a）杯口焊縫正面（b）杯口焊縫橫截面

圖2（a）為焊縫正面，放大倍數45倍。可以看出，半導體激光焊接杯口表面光滑、平整，滿足工藝要求，無需磨口處理。而氩弧焊對人員焊接技能要求較高，且焊接發黑、不平整，需要磨口處理。

圖2（b）為焊縫橫截面，可以看出，焊縫上表面為圓弧形，圓弧與杯身過渡圓滑，無需二次處理；焊縫深度約0.25mm接近闆材厚度，且焊縫内無氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。由于焊接過程激光束與待焊區域不可避免的位移偏差，此試樣焊縫中心點并未在内外壁闆材中央，但對焊接效果影響較小。

02、内膽底焊接

此保溫杯内杯底采用0.4mm厚304不鏽鋼，激光器采用熱刺1800W半導體光纖耦合激光器，輸出功率1500W，輸出芯徑600μm，數值孔徑0.22，焊接速度160mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖3所示。

圖3 （a）内膽底焊縫正面（b）内膽底焊縫橫截面

圖3（a）為焊縫正面，放大倍數20倍，正面縫寬約1.7mm。可以看出，焊縫表面平整，上表面無其他陷。此焊縫在焊接時未施加惰性氣體保護保護，因此焊縫表面呈氧化狀态，經過一步必要處理後可去除氧化層得到光亮焊縫。

圖3（b）為焊縫橫截面，此焊縫為不等闆厚拼接焊，焊縫正面飽滿無任何塌陷、咬邊現象，焊縫背面平整無燒蝕塌陷；焊縫深度不小于0.3mm，且焊縫内無任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。

03、外底焊接

此保溫杯外底采用0.5mm厚304不鏽鋼，激光器采用熱刺800W半導體光纖耦合激光器，輸出芯徑200μm，數值孔徑0.22，焊接速度50mm/s，焊接方式為傳導焊接，焊接效果如圖4所示。

圖4 （a）杯底焊縫正面（b）杯底焊縫橫截面

圖4（a）為焊縫正面，放大倍數20倍，焊縫寬度約1.1mm。焊接過程采用惰性氣體保護，焊縫光潔平整、呈銀白色無任何氧化痕迹，焊縫無需任何後期處理。

圖4（b）為焊縫橫截面，放大倍數45倍，此焊縫介于角焊縫和拼焊，外杯身熔池少量流向熔池中部，焊縫連接處深度不小于0.3mm，焊縫深度最小值約0.25mm。焊縫内無任何氣孔等缺陷，完全滿足保溫杯使用強度及氣密性要求。

此結構的保溫杯底無法使用氩弧焊焊接，氩弧焊焊接的杯底結構更複雜，因此，本步驟的激光焊接可以從材料及程序上進一步降低生産成本。

與氩弧焊相比：1）效率方面，杯口與外杯底焊接速度略高于氩弧焊，但内杯底焊接速度提升明顯，速度提升一倍左右；且激光焊的操作程序簡單，增加了整體效率。2）成品率方面，激光焊接成品率略高于氩弧焊。伴随激光器亮度的進一步提升以及焊接工藝的改善，焊接效率及焊接成品率方面還将有較大提升空間。

三、總結

綜上所述，半導體激光焊接在保溫杯等薄闆金屬焊接領域前景廣闊。在其他領域，高亮度半導體激光焊接設備也應用廣泛，如動力電池、電子器件、汽車工業等。

随着光纖耦合技術的進步，半導體激光器的亮度将進一步提高，例如熱刺激光即将推出的2000W半導體激光器，輸出的光纖芯徑可以減少至105μm，此類半導體激光器可用于中薄闆金屬激光深熔焊接或激光切割。因此高亮度半導體激光器具有廣闊的應用前景和市場空間。

來源：激光制造商情

供稿：熱刺激光

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