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）( 三 ) 纳米

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。