激光是屬于一種新興的高效加工工藝，激光要實(shí)現(xiàn)加工其實(shí)是特定光束能量與材料的相互作用導(dǎo)致的結(jié)果，材料方面我們一般大體分為金屬與非金屬材料，金屬材料則包括鋼、鐵、銅、鋁以及相關(guān)合金，而非金屬材料則有玻璃、木、塑料、布革、易脆材料等。激光制造應(yīng)用到很多產(chǎn)業(yè)，但是按材料加工應(yīng)用區(qū)分，目前為止主要還是圍繞這些材料范圍。
激光行業(yè)對(duì)材料屬性的研究需加強(qiáng)
近幾年，一部分激光產(chǎn)品單價(jià)快速下降，比如打標(biāo)機(jī)、金屬平面切割機(jī)與手持焊接機(jī)等，讓一些人認(rèn)為激光制造的技術(shù)含量降低了。其實(shí)不然，激光仍然是一項(xiàng)擁有較高技術(shù)門(mén)檻的工藝，是對(duì)光、機(jī)、電的理解與結(jié)合，只是以上幾個(gè)細(xì)分應(yīng)用早已發(fā)展成熟了，而門(mén)檻低的激光設(shè)備產(chǎn)品容易同質(zhì)化，導(dǎo)致價(jià)格戰(zhàn)，所以才有人認(rèn)為這些設(shè)備沒(méi)有技術(shù)含量了。中國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，是因?yàn)橛写罅康膽?yīng)用需求，而這種測(cè)試、試錯(cuò)的機(jī)會(huì)使激光新技術(shù)得以嘗試，在一些國(guó)家即使有新技術(shù)突破，但是可能連試用的場(chǎng)景與機(jī)會(huì)都沒(méi)有了。
人們經(jīng)常討論激光制造的新增長(zhǎng)點(diǎn)。事實(shí)上，根據(jù)目前的觀察，國(guó)內(nèi)絕大部分的激光器、激光設(shè)備廠(chǎng)商都是圍繞光束與機(jī)械做工作，好一點(diǎn)的就是思考設(shè)備自動(dòng)化的問(wèn)題。但是對(duì)材料的研究是較為欠缺的，什么樣的光束參數(shù)適用什么樣的材料，這個(gè)工作做得不夠，導(dǎo)致一些企業(yè)做出了新的激光器與激光設(shè)備，不知道應(yīng)該用來(lái)做什么。我們發(fā)現(xiàn)在很多激光企業(yè)，擁有光學(xué)、機(jī)械工程師，但是甚少有材料專(zhuān)業(yè)工程師，對(duì)材料特性的研究亟待加強(qiáng)。
銅材的高反射率推動(dòng)綠光與藍(lán)光出現(xiàn)
在金屬材料中，鋼鐵類(lèi)的激光加工早已探索成熟，而在高反材料的加工仍在探索中，特別是銅、鋁材料。銅材料具有非常好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，因此廣泛應(yīng)用于線(xiàn)纜、家電、消費(fèi)電子、電氣設(shè)備、電子元件 、電池等領(lǐng)域。多年來(lái)，激光技術(shù)努力嘗試在銅材方面加工，但受限于銅材的性質(zhì)而無(wú)法打開(kāi)應(yīng)用場(chǎng)景。
首先就是高反射，對(duì)于最常見(jiàn)的1064nm紅外激光，銅材的反射率高達(dá)90%;其次是銅的良好導(dǎo)熱性，一旦局部加熱后熱量迅速擴(kuò)散，不容易聚熱達(dá)到加工效果;三是不得不選擇更高功率激光進(jìn)行加工，導(dǎo)致銅材容易變形;即使加工焊接完成，也很容易出現(xiàn)缺陷與漏焊。
激光波長(zhǎng)為1064nm與532nm反射率的對(duì)比
經(jīng)過(guò)多年的探索，人們得知采用更短波長(zhǎng)的激光綠光與藍(lán)光用于焊接銅材料，更為合適，為此推動(dòng)了綠光與藍(lán)光激光器的發(fā)展。藍(lán)光與綠光的銅材焊接發(fā)展
放棄紅外激光采用波長(zhǎng)為532 nm焊接銅時(shí)，其反射率就大大減小了。采用532 nm波長(zhǎng)的激光使得激光光束持續(xù)耦合到銅材料上，并且穩(wěn)定了焊接過(guò)程。表格表示的是采用1064 nm和532 nm激光對(duì)銅材料進(jìn)行焊接反射率對(duì)比。采用532 nm激光時(shí)在銅材料上的焊接效果，可與1064 nm激光在鋼材料上的焊接結(jié)果相媲美。
國(guó)內(nèi)綠光激光器成熟商用功率已達(dá)到500瓦，而國(guó)外在這一方面已達(dá)到3000瓦，在鋰電的電機(jī)電芯等部件方面焊接效果尤為顯著，近兩年綠光激光器的銅材焊接尤其是在新能源行業(yè)的推進(jìn)成為一個(gè)應(yīng)用亮點(diǎn)。
目前國(guó)內(nèi)某企業(yè)采用全光纖綠光激光器路線(xiàn)，已成功攻關(guān)1000瓦功率輸出，極大地拓展了在銅材焊接的應(yīng)用可能性，產(chǎn)品廣受市場(chǎng)歡迎。
過(guò)去三年，新型的藍(lán)光激光器一度引起行業(yè)關(guān)注。藍(lán)光激光器的波長(zhǎng)大約在450nm，介于紫外與綠光之間，但是藍(lán)光激光作用在銅材上的吸收率比綠光還好，反射率可降至35%以下。
藍(lán)光焊接可以用在熱傳導(dǎo)焊和深熔焊兩種方式下，且都可實(shí)現(xiàn)“無(wú)飛濺焊接”，減少漏焊孔隙。除了質(zhì)量上的提升，藍(lán)光焊接銅金屬還具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，至少比紅外激光焊接快5倍。原來(lái)使用3000瓦紅外光才能完成的效果，采用藍(lán)光500瓦即可實(shí)現(xiàn)同樣的加工，極大地節(jié)約了能量與電力的浪費(fèi)。
發(fā)展藍(lán)光激光器在外國(guó)
有Laserline、Nuburu等企業(yè)，國(guó)內(nèi)則有聯(lián)贏、凱普林、大族天成、廣東粵港澳大灣區(qū)硬科技創(chuàng)新研究院等。藍(lán)光目前是采用光纖耦合半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)，在能量密度上相對(duì)差了一點(diǎn)，因此為了實(shí)現(xiàn)更好的銅焊接效果，有些企業(yè)開(kāi)發(fā)了雙光束復(fù)合焊接。雙光束方式是指采用藍(lán)光激光束和紅外激光束同時(shí)對(duì)銅材料進(jìn)行拼焊，并且合理設(shè)置兩束光斑的相對(duì)位置，既能解決高反射問(wèn)題又能實(shí)現(xiàn)足夠的能量密度。
用于冷卻藍(lán)光綠光激光設(shè)備的特域CWUP-60
應(yīng)用激光或者開(kāi)發(fā)激光工藝時(shí)，對(duì)材料的屬性了解非常重要。無(wú)論是采用藍(lán)光或是綠光，都可以提高銅材對(duì)激光的吸收率，但是高功率藍(lán)光和綠光激光器目前的成本比較高。相信在加工工藝逐漸成熟，藍(lán)光或綠光激光器的使用成本適當(dāng)下調(diào)后，市場(chǎng)應(yīng)用才會(huì)真正迎來(lái)放量需求。
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