叠加中激光焦距和光斑尺寸差异的图示。

3.结果和讨论

3.1. 叠加实验结果

3.1.1. 辐照延迟效应

为了在1064nm激光叠加照射前，实现532nm激光的适当照射，需要仔细选择和设置峰值功率。Maina等(2018)研究表明，在试样表面提供一个深度约为30μm或表面粗糙度为rz > 27μ m的凹坑，可以有效地稳定过渡工艺条件下铜的微焊接过程。当峰值功率为0.6 kW，脉冲持续时间为1.2 ms的532 nm激光时，可以获得这种表面波动。如图10所示，获得了约25μm的深度和约50μm的直径。因此，532 nm激光叠加时的峰值功率为0.6 kW。该峰值功率设置导致绿光激光器的低功率密度条件为1.98×107w/cm²。

 图10 铜的焓与温度的关系。

图11为仅用1064 nm激光照射的区域的表面和截面图像，在没有延迟时间、短延迟时间200 μ s和长延迟时间600 μ s的情况下进行叠加处理时的图像。两种情况下使用的总功率密度均为1064 nm纯激光和叠加是相同的，等于1.29×108w/cm²。这种功率设置导致1064 nm激光用于铜微焊接时处于过渡加工状态。在叠加情况下，采用低功率密度的532 nm激光器，功率密度为1.98 × 10 7 W/ cm²。在这种情况下，1064nm激光的功率密度为1.09×108w/cm2。在所有情况下，使用1.2 ms矩形脉冲进行处理。

 图11 有限元分析中热流输入模型的说明。

如图11所示，仅在1064 nm激光的情况下，获得了过渡处理，过渡处理由小孔和热传导模式的混合组成。导热焊接方式一般不能实现深熔透。另一方面，匙孔焊接方式具有孔隙率高的特点，导致焊深穿透。通过叠加，过程得到了稳定，并获得了小孔焊接，导致所有情况下的深熔透。通过使用200μs的短延迟获得最高穿透深度，并且没有孔隙。当辐照延迟时间为600μs时，穿透深度低于延迟时间较短的穿透深度。没有延迟时间的处理导致最小穿透深度。

来源：CC0公共领域

在功率密度为1.98 107 W/cm²时，尽管铜对532 nm激光有较高的吸收，但预计532 nm激光仅会导致热传导焊接。因此，当532 nm激光与1064 nm激光叠加时，532 nm激光的初始辐照不足以引起小孔的形成。然而，预计将达到熔点以上的高温，使后续的1064 nm激光辐照经历稳定的吸收现象。

这提高了更快的锁孔形成和深穿透。Giulietti and Lucchesi(1981)、Boyden and Zhang(2006)、Boutalbi et al.(2016)、Wang et al.(2000)等认为，激光辐照的吸附率会随着表面温度的升高而增加。认为200 μ s的短辐照延迟能有效地使表面得到充分的加热，从而增强1064 nm激光辐照的稳定吸收现象。因此，在532 nm和1064 nm激光组合能量的照射下，可以获得较深的穿透和良好的表面质量。

为了充分阐明这些现象，图12对熔融体积进行了评估，显示了熔融体积的变化。通过测量实验观察到的横截面来计算熔融体积。在仅用1064nm激光加工的情况下，熔融体积最高，但其标准偏差非常大，表明该过程非常不稳定。与无延迟时间和长延迟时间的辐照相比，在叠加情况下，短的辐照延迟时间导致更大的熔体体积。

这种变化是由于532 nm激光的初始辐照产生的加热效应，先于1064 nm激光的加热效应。结果表明，532nm激光在低功率密度下的叠加对熔体体积的增加没有贡献。在此条件下叠加的作用仅是使吸收能量稳定，从而稳定地获得了良好的表面质量和较大的穿透深度。

图12 绿光激光器低功率密度条件下熔液体积的叠加变化。（如需解释图中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本）

3.1.2. 激光功率密度的影响

预计使用高功率密度532 nm激光进行叠加处理将产生小孔。因此，为了阐明叠加时激光功率密度的影响，将绿色激光的功率密度条件设置为3.31×107 W/cm²，将1064 nm激光的功率密度降低到9.59×107 W/cm²。如图10所示，使用峰值功率为1.0 kW的1.2 ms激光脉冲，532 nm激光产生的孔深度约为200 μm，直径约为150 μm，可以获得3.31 107 W/cm²的设置。

图13 1064nm激光照射区域的表面和横截面外观，以及利用高功率密度条件下的绿色激光进行叠加。（如需解释图中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本）

图13为在无延迟时间、短延迟时间200 μs和长延迟时间600 μs下进行处理时，经1064 nm激光辐照和叠加处理后的区域表面和截面图像。图14显示了相应的熔融体积变化。纯1064 nm激光器和叠加激光器的总功率密度相同，均为1.29×108w/cm²。结果表明，该过程在叠加过程中是稳定的，在所有情况下都能稳定地获得深穿透。

如图14所示，熔体体积在所有叠加情况下都稳定增大。在高功率密度的532 nm激光中，叠加有利于吸收能量的稳定和熔液体积的增大。由于532 nm激光的高功率密度导致了小孔焊接，高温和小孔的形成将提高1064 nm激光的高吸收速率。这导致深渗透，并可以实现稳定的熔池，从而产生良好的表面质量。在200 μs的短延迟时间内，得到了最大的熔透深度和最大的熔液体积。

图14 绿光激光器高功率密度条件下叠加时熔体体积的变化。（如需解释图中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本）。

如图15所示，绿色激光在低功率密度和高功率密度条件下叠加穿透深度的对比表明，高功率密度条件下穿透深度更深。532 nm激光对铜的吸收速率高，叠加功率密度的增加会导致穿透深度的增加，因为额外的能量会被有效地吸收到材料中。此外，如Ruettimann等人（2013）和Otte等人（2009）所示，与1064 nm激光相比，其吸收率更高且更稳定。因此，在所有情况下，报告的穿透深度均高于仅1064 nm激光照射的穿透深度，这导致了由小孔和热传导模式组成的过渡加工条件。

结果表明，在高功率密度条件下叠加的绿激光，延迟时间为600 μs时穿透深度最低。相反，即使没有辐照延迟时间，也能达到更深的穿透深度，但在200 μs的短延迟时间下，穿透深度达到最大。在高功率密度条件下，较短的辐照延迟时间(200 μs)可以有效地稳定1064 nm激光的吸收现象，并引发小孔形成。因此，延迟时间后，两种激光的合并能量将导致对材料的深入渗透。

图15 绿光激光器在低功率密度和高功率密度条件下叠加情况下穿透深度的比较。（如需解释图中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本）

因此，可以得出结论，对于相同脉冲持续时间的1064 nm和532 nm激光的叠加，短延迟时间（如200μs）与532 nm激光的适当高功率密度耦合，可以稳定铜的激光微焊接过程，稳定实现了表面质量好、熔深大、无气孔的焊缝。

 图16 通过激光波长叠加，对铜微焊接中的实验和模拟焊道几何形状进行了比较。

3.2.熔区动力学与小孔形成

通过数值模拟研究了熔区和小孔形成的现象，并用实验结果验证了所建立的三维有限元模型。图16为532 nm激光低功率密度条件下，无延迟叠加且延迟时间较短为200 μs情况下模拟焊珠与实验焊珠的对比。在这两种情况下，都可以获得小孔焊接，且模拟焊珠与实验焊珠的焊接效果较好。模拟珠的结果中浅灰色区域代表温度超过铜的熔点1358 K的区域。所建立的模型能准确地生成激光辐照过程中的温度场。

图17 与200μs辐照延迟时间叠加的试样厚度上的温度分布

图17为1064 nm激光在200 μs的短延迟时间下，在样品中心照射叠加激光时，样品厚度的温度分布图。辐照区周围的上表面温度最高，而试样底部温度为室温293 K。温度沿试样厚度呈指数级下降，在铜熔点以上迅速下降。正如Tokarev和Kaplan(1999)以及Fotovvati等人(2018)所讨论的，温度的快速变化归因于热向周围材料的快速扩散。

一般来说，熔融金属在锁孔边界温度梯度最高的区域会经历更快的流动。熔融金属在固液边界处向较低温度的区域流动。因此，底部和顶部区域的融合区扩张将有所不同。低于熔化温度时，温度会逐渐降低至环境温度。Fabbro 等人(2018)和Lange 等人(2018)研究表明，温度变化和相应的熔融流动行为会导致熔融材料中表面张力梯度的变化。因此，获得了锥形焊缝。

图18 比较532 nm激光、1064 nm激光和绿光激光低功率密度下叠加激光对铜微焊接的辐照截面温度分布。(对于图中颜色的参考，读者可以参考本文的网页版本)

图18为532 nm激光、1064 nm激光和叠加时截面温度分布的对比。功率密度为1.98×107 W/cm­^2­­时，532 nm激光的穿透深度最小。温度分布显示其峰值温度低于蒸发点，因此该辐照导致热传导焊接模式。1064nm激光的辐照也仅导致热传导焊接模式，该模式不会深入材料。532nm激光的穿透深度约为25μm，1064nm激光的穿透深度约为40μm。这些穿透深度与实验获得的相似。

但在功率密度为12.9 ×107 W/cm²的1064 nm激光中，出现了热传导和小孔焊接混合模式的过渡加工状态。没有延迟时间的叠加与延迟时间为600 μs的叠加相比，穿透深度略低。采用200 μs的叠加延时，最大穿透深度约为335 μm。

根据小孔的形状和大小，激光吸收率会有很大的变化。预计高吸收率会导致辐照区域的温度快速大幅升高。因此，通过比较1064 nm激光照射开始时的温度升高，阐明了叠加效应。仅用1064nm激光照射时，从室温293K上升的温度最低，等于841K。这归因于铜表面对1064nm激光的低吸收率。对于叠加，无延迟时间和长延迟时间的辐照分别导致2135 K和2167 K的温度增加幅度几乎相等。在200 μs的短延迟时间内，温度升高最高，为2643 K。因此认为叠加有助于提高1064 nm激光的吸收率，而较短的辐照延迟时间是获得高吸收率的有效途径。

图19 在类似功率密度条件下，比较具有短和长辐照延迟的叠加情况下的温度分布。

如图19所示，为了充分阐明辐照延迟的影响，比较了使用200μs短延迟和600μs长延迟的情况。结果表明，在相同的功率密度下，较短的辐照延迟会使锁孔变窄、变深，较长的辐照延迟会使锁孔变宽、变低。窄而深的小孔意味着激光可以很容易地穿透材料，从而增加了多次反射效应，从而提高了吸收速率和熔融体积。因此，如实验工作中所报告的，可以获得更深的穿透。

由于激光照射，激光过程中产生的熔融材料的数量及其行为将因锁孔的几何形状而异。启动小孔形成需要一定的功率密度，预计熔体体积将随着功率密度的增加而增加。因此，如图20所示，对比了1064 nm和532 nm单激光器辐照产生的熔区和锁孔，并利用绿色激光器的高功率密度和低功率密度条件叠加。

图20 使用1064 nm和532 nm的单激光以及两个激光的叠加，铜微焊接中熔融区域和小孔的变化。

仅在3.31×107 W/cm2的高功率密度条件下使用532 nm激光进行加工可实现小孔焊接，而在1.98×107 W/cm²的低功率密度条件下进行加工可实现热传导焊接。尽管铜的吸收率很高，但低功率密度不足以引发小孔的形成。而当这种低功率密度条件用于叠加时，在无延迟、短延迟和长延迟时间的所有情况下都可以获得小孔焊接。据认为，当这种低功率密度的532nm激光用于叠加时，它可以有效地提高1064nm激光辐照前的表面温度，从而获得稳定的吸收现象，如Sainte Catherine等人（1991）；Xue等人（2017），Li等人（2014）所建议的那样。

如图20所示，在200 μs的短延迟下叠加得到最大的锁孔，在没有辐照延迟的叠加情况下得到最小的锁孔。因此，预计短的辐照延迟将导致最深的焊缝熔透，因为激光将很容易在小孔内被辐照，而小孔会深深地穿透材料。如Courtois等人（2013）Ready（1997年），Volpp和Vollertsen（2013年）所示，小孔内的多次反射效应将增强吸收率的增加，因此将熔化更多的材料。

图21为绿色激光高功率密度条件下，1064 nm激光、532 nm激光和叠加激光的微焊接截面温度分布。将532 nm激光的功率密度叠加增加到3.31×107 W/cm²，会导致材料蒸发点以上的高温，并且在所有情况下都可以实现小孔焊接，从而导致材料的深熔透。经532nm激光处理后，穿透深度仅为200μm左右。这种深穿透与铜对532nm激光的高稳定吸收率有关。

因此，如图20所示，以及如实验工作中所报告的，当1064 nm激光以这种高功率密度超级施加在532 nm激光上时，与低功率密度532 nm激光叠加的情况相比，可以稳定地获得更深的穿透。532nm激光的高功率密度将在1064nm激光照射之前引发小孔形成。因此，两个激光器组合的后续辐照将被材料高度吸收，从而稳定吸收现象，并增加熔融体积。这澄清了在叠加过程中，随着绿激光功率密度的增加，熔体体积增加的现象。

图21 利用1064nm和532nm的单束激光以及在高功率密度条件下的绿光激光，比较了铜微焊接横截面上的温度分布。（如需解释图中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本）

因此，将波长为1064和532nm的Nd:YAG激光器叠加，可以实现高质量、高效率的铜微焊接工艺。使用532nm适当高功率密度的激光进行叠加，并采用较短的延迟时间，可有效地获得稳定的吸收峰，以及稳定和高的熔融体积，从而导致焊缝的深熔透。此外，还通过两个波长在不同功率密度下的叠加，提出了温度或表面形状对铜材料吸收特性的影响。在两个波长的总输入功率相同的情况下，绿光激光器的低功率密度条件（不能产生小孔）会增加表面温度和1064nm的吸收率，但在高功率密度条件下产生的小孔与1064nm激光以200μs的延迟时间叠加，可以获得较大的熔池体积。

这些现象表明，小孔的形成具有更有效的增加熔融体积的作用，而不是铜材料表面的温度升高，并且在1064nm和532nm激光的叠加下，表面温度的升高有助于铜微焊接中熔融体积的稳定。

4.结论

本文采用532 nm和1064 nm两种波长叠加的方法，研究了辐照延迟和功率密度对铜微珠激光焊接工艺的影响。阐明了表面温度变化和小孔形成对吸收现象和熔液体积生成的影响。所得结论如下:

1)近红外与绿色Nd:YAG激光叠加，近红外激光辐照延时短，稳定了铜的激光微焊接工艺，实现了表面质量好、熔透深、无气孔的优质焊缝。

2)在近红外和绿色激光叠加时，适当的高功率密度的绿色激光可以使吸收稳定，增加熔融体积。在近红外激光照射前，高功率密度能有效地激发小孔形成。这增强了对材料的快速和充分的深度渗透。

3)小孔的形成对提高熔体体积的作用比表面温度的提高更有效，而表面温度的升高有助于近红外激光和绿色激光叠加铜微焊接中熔体体积的稳定。

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文章来源：Effects of superposition of 532 nm and 1064 nm wavelengths in copper micro-welding by pulsed Nd:YAG laser,Journal of Materials Processing Technology,Volume 299, January 2022, 117388,https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117388

2,Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser,Journal of Laser Applications 33, 032018 (2021); https://doi.org/10.2351/7.0000386