一、背景

在室温下，铜对近红外波长（约1 um）的吸收率不到5%，相当于有95%的激光被反射。而铜对绿光蓝光波长（约0.43-0.53 um）的吸收率超过40%，比近红外波段高了接近一个量级。与常见的1 um波段近红外激光相比，绿光蓝光激光器的短波长天然具有更低的束散角和更小的聚焦光斑，因此在加工中更具优势。特别是基于目前蓬勃发展的高功率光纤激光器技术的绿光光纤激光器，由于平均功率高、光束质量好，稳定性强等诸多优点，将会迎来广阔的应用前景。随着新能源汽车行业的不断发展，紫铜以其优异的导电和耐蚀等物理性能，被广泛用于新能源汽车汇流排、熔断器等零件中，对其吸收率较高的短波长激光器备受关注。

表-1 前沿短波长激光器输出指标汇总

对比表1参数，半导体耦合输出的蓝光激光器能量密度偏低，BPP为15-80 mm·mrad。目前高功率蓝光激光器主要以辅助应用为主，较少直接应用于精密焊接和3D打印等精密加工工艺。通快近年推出的1000- 3000W高功率碟片绿光激光器，采用光纤耦合输出，输出光束质量相对蓝光稍好一些，为2-8 mm·mrad。国内专注于高功率光纤绿光的激光器厂商--深圳公大激光，近几年陆续推出了类似的高功率光纤绿光激光器，最高功率为2000W的单模光纤绿光，输出的光束质量（BPP）为0.27mm·mrad，比通快的碟片绿光小一个数量级左右。理论上来说，光源的光束质量越好，光束聚焦能力越强，输入热影响越小，加工幅面和加工距离的可控性越高，有利于激光加工设备获得更高的工艺窗口，有助于提高生产应用良率。

本文主要对比公大激光推出的千瓦单模和千瓦多模的性能参数，从焊接和3D打印两个应用方向分析，进一步对比两款单模和多模绿光激光器的实际应用差异，为客户后续应用选型提供参考。

对比激光器分别为1000W 单模光纤绿光激光器（见图-1）和光纤耦合输出多模千瓦光纤绿光激光器（见图-2）。

图-1 1000W 单模光纤绿光激光器

图-2 光纤耦合输出--多模千瓦光纤绿光激光器

二、单模和多模连续绿光关键数据对比

1、公大激光自研的1000W 单模光纤绿光激光器和多模绿光激光器，光学参数对比见下：  

*：测试条件，25℃室温环境下表-2  单模和多模连续绿光关键数据对比

2、输出光斑分布对比，单模激光器能量呈高斯形分布，中心能量分布集中，多模激光器呈类平顶形分布，能量分布比较分散，能量分布示意图如图3：

3、采用相同的输入光斑直径，同样的光纤配置，进行对比单模和多模的光学特性差异，配置表格见下：

表-3  单模和多模连续绿光实验配置对比

三、单模和多模千瓦连续绿光--紫铜焊接能力测试

采用常规的1mm紫铜片以划5条线的方式进行单道焊接试验，单模和多模激光器功率设置为70%（实际功率约700W），扫描速度150mm/s,测试不同离焦量下各组焊接试样的熔深值（五条线测试平均值），熔深测试示例见图5：

图-5  （上：单模；下：多模）熔深测试示例图

下表-4是在相同条件下通过使用单模激光器和多模激光器进行焊接对比，能够清晰的看出单模相较于多模激光，在焦深和熔深均更大，焊接产品时能实现更大的工艺窗口。图5采用直方图模式详细统计了不同离焦量下的熔深分布，图6是单多模同一参数下熔宽和熔深照片。由于单模具有大深宽比，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实现精密焊接，且焊后热影响及变形小，通过高速相机检测焊接时单模多模所产生的飞溅相当。

表-4 单模与多模激光焊接不同离焦量下熔深值--150mm/s扫描速度

图-6  单多模不同离焦量下熔深值

图-7 单多模同一参数下熔宽和熔深

四、应用案例展示

材料的熔深和激光器扫描速度成反比，扫描速度越快，焊接熔深越浅。综合上述单模和多模千瓦连续绿光激光器的输出光学参数特性和焊接熔深测试数据。对比上述焊接数据，我们可以得到：

（1）多模焊接，可以得到更宽的焊接轨迹，熔池较浅；有利于薄片焊接，并且得到更小的接触电阻和更高的焊接拉力。

（2）单模连续绿光焊接，焊接轨迹面积较小，熔池较深，热输入小，热影响小，有利于精密焊接，或较厚的材料焊接，通过调整离焦量，同样可以用于精密薄片焊接，工作窗口比多模连续绿光更大，可以获得更高的焊接强度，满足不同的焊接要求。焊接能力上，单模连续绿光更胜一筹。

下面给出两个单模连续绿光的应用案例：

1、熔断器焊接

采用单模连续绿光激光器对不同材质不同厚度的熔片和端子进行叠焊。

（1）光学配置：振镜：30mm；场镜：F254；扩束镜：2-10倍。

（2） 三款材料的功率梯度70-90%，速度梯度120-150mm/s，均能够焊上，复查焊接断裂位置，熔片均牢固的焊在基材端子上。

焊接效果见下图：

2、精密3D打印

对应的单模红外激光器对比，由于绿光波长（532nm）比红外短一半(1060-1080nm)，同样配置下聚焦光斑小一倍以上，因此在绿光精密3D打印上，单模连续绿光在材料吸收率、能量密度、打印品质等方面具有明显的优势。

从光学参数上可以看出，单模连续绿光的聚焦能力，远高于多模连续绿光。在单模连续绿光采用F420的聚焦场镜，多模连续绿光采用F255的聚焦场镜条件下，单模连续绿光聚焦光斑大小约27.4um , 而多模连续绿光聚焦光斑为141um左右。明显可以看出，两者的加工精度和工作幅面均存在明显差异。

如果考虑使用相同的加工幅面和高度，采用相同的F255场镜聚焦，单模连续绿光具有更明显优势。纯铜粉末为良导体，光束质量、聚集光斑大小、材料热导性能、粉末粒径、和铺粉厚度等因素均对打印精度有直接影响。目前使用单模连续绿光，进行精密3D打印，希禾增材可以做到最高50um左右的打印精度。打印样件见下图-9：

五、总结

由于吸收率稳定，适当控制离焦量，可以较好地控制绿光焊接过程产生的飞溅情况。对比千瓦单模绿光和千瓦多模绿光应用测试，主要结果见下：

1、单模连续绿光应用优势：

（1） 单模相较于多模激光其焦深和熔深均更大，在同一参数下，单模激光作用下其深宽比为7.6，而多模激光作用下其深宽比为1.05，因此单模激光相较于多模激光具有更强的穿透力；

（2） 能量密度更高，相同功率焊接产品时，能实现更大的工艺窗口；

（3） 由于单模具有大深宽比，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实现精密焊接，且焊后热影响及变形小；

（4） 由于聚焦光斑更小，可以获得更精细的焊接，实现更高的加工精度；

（5） 光束质量更好，实际使用时可使用更长焦距场镜，加工幅面更大；该优点在3D打印上，可以大幅增加打印样件的尺寸，减少材料飞溅对场镜的影响。

（6） 由于能量密度高，精密焊接时所需平均功率更小，所以单模连续绿光使用功率一般较低，相对多模连续绿光能效比更高。

2、多模连续绿光的优势：

（1） 多模千瓦连续绿光，采用光纤传输，光路相对灵活；

（2） 焊接薄片时，单笔可获得更宽的焊缝，有助于提高效率；

（3） 平顶光斑，均匀性更好，在超薄片上焊接，背痕控制更精准。

千瓦单模连续绿光和千瓦多模连续绿光，在精密焊接应用上各有优势；在精密3D打印应用上，单模连续绿光具有明显的精度优势。

建议大家可以在铜等高反材料的精密加工上，根据各自的需求，选择单模或多模连续光纤绿光激光器。