一、背景

在室溫下，銅對(duì)近紅外波長(zhǎng)（約1 um）的吸收率不到5%，相當(dāng)于有95%的激光被反射。而銅對(duì)綠光藍(lán)光波長(zhǎng)（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(gè)量級(jí)。與常見的1 um波段近紅外激光相比，綠光藍(lán)光激光器的短波長(zhǎng)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(shì)。特別是基于目前蓬勃發(fā)展的高功率光纖激光器技術(shù)的綠光光纖激光器，由于平均功率高、光束質(zhì)量好，穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)迎來廣闊的應(yīng)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(dǎo)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(duì)其吸收率較高的短波長(zhǎng)激光器備受關(guān)注。

市場(chǎng)上能實(shí)現(xiàn)商用化的大功率短波長(zhǎng)激光器，主要是藍(lán)光半導(dǎo)體激光器和綠光激光器，根據(jù)官網(wǎng)報(bào)道，不同廠家對(duì)應(yīng)的主要激光器參數(shù)如下：

表-1 前沿短波長(zhǎng)激光器輸出指標(biāo)匯總

對(duì)比表1參數(shù)，半導(dǎo)體耦合輸出的藍(lán)光激光器能量密度偏低，BPP為15-80 mm·mrad。目前高功率藍(lán)光激光器主要以輔助應(yīng)用為主，較少直接應(yīng)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(zhì)量相對(duì)藍(lán)光稍好一些，為2-8 mm·mrad。國(guó)內(nèi)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(zhì)量（BPP）為0.27mm·mrad，比通快的碟片綠光小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。理論上來說，光源的光束質(zhì)量越好，光束聚焦能力越強(qiáng)，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(shè)備獲得更高的工藝窗口，有助于提高生產(chǎn)應(yīng)用良率。

本文主要對(duì)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(gè)應(yīng)用方向分析，進(jìn)一步對(duì)比兩款單模和多模綠光激光器的實(shí)際應(yīng)用差異，為客戶后續(xù)應(yīng)用選型提供參考。

對(duì)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(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)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(xué)參數(shù)對(duì)比見下： 

*：測(cè)試條件，25℃室溫環(huán)境下

表-2  單模和多模連續(xù)綠光關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比

2、輸出光斑分布對(duì)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(jìn)行對(duì)比單模和多模的光學(xué)特性差異，配置表格見下：

表-3  單模和多模連續(xù)綠光實(shí)驗(yàn)配置對(duì)比

三、單模和多模千瓦連續(xù)綠光--紫銅焊接能力測(cè)試

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

圖-5  （上：?jiǎn)文＃幌拢憾嗄＃┤凵顪y(cè)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(jìn)行焊接對(duì)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(chǎn)品時(shí)能實(shí)現(xiàn)更大的工藝窗口。圖5采用直方圖模式詳細(xì)統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)精密焊接，且焊后熱影響及變形小，通過高速相機(jī)檢測(cè)焊接時(shí)單模多模所產(chǎn)生的飛濺相當(dāng)。

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(yīng)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(xué)參數(shù)特性和焊接熔深測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)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(diào)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(qiáng)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(gè)單模連續(xù)綠光的應(yīng)用案例：

1、熔斷器焊接

采用單模連續(xù)綠光激光器對(duì)不同材質(zhì)不同厚度的熔片和端子進(jìn)行疊焊。

（1）光學(xué)配置：振鏡：30mm；場(chǎng)鏡：F254；擴(kuò)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(fù)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(duì)應(yīng)的單模紅外激光器對(duì)比，由于綠光波長(zhǎng)（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(zhì)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

從光學(xué)參數(shù)上可以看出，單模連續(xù)綠光的聚焦能力，遠(yuǎn)高于多模連續(xù)綠光。在單模連續(xù)綠光采用F420的聚焦場(chǎng)鏡，多模連續(xù)綠光采用F255的聚焦場(chǎng)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(chǎng)鏡聚焦，單模連續(xù)綠光具有更明顯優(yōu)勢(shì)。純銅粉末為良導(dǎo)體，光束質(zhì)量、聚集光斑大小、材料熱導(dǎo)性能、粉末粒徑、和鋪粉厚度等因素均對(duì)打印精度有直接影響。目前使用單模連續(xù)綠光，進(jìn)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(jié)

由于吸收率穩(wěn)定，適當(dāng)控制離焦量，可以較好地控制綠光焊接過程產(chǎn)生的飛濺情況。對(duì)比千瓦單模綠光和千瓦多模綠光應(yīng)用測(cè)試，主要結(jié)果見下：

1、單模連續(xù)綠光應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

（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(qiáng)的穿透力；

（2） 能量密度更高，相同功率焊接產(chǎn)品時(shí)，能實(shí)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(shí)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(xì)的焊接，實(shí)現(xiàn)更高的加工精度；

（5） 光束質(zhì)量更好，實(shí)際使用時(shí)可使用更長(zhǎng)焦距場(chǎng)鏡，加工幅面更大；該優(yōu)點(diǎn)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(duì)場(chǎng)鏡的影響。

（6） 由于能量密度高，精密焊接時(shí)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(duì)多模連續(xù)綠光能效比更高。

2、多模連續(xù)綠光的優(yōu)勢(shì)：

（1） 多模千瓦連續(xù)綠光，采用光纖傳輸，光路相對(duì)靈活；

（2） 焊接薄片時(shí)，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(zhǔn)。

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(yīng)用上各有優(yōu)勢(shì)；在精密3D打印應(yīng)用上，單模連續(xù)綠光具有明顯的精度優(yōu)勢(shì)。

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(zhuǎn)自：公大激光

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