激光器|532纳米和1064纳米波长叠加对脉冲Nd: YAG激光铜微焊接的影响（二）( 二 ) 纳米

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。