U形熔池是激光焊接中通過能量調(diào)控形成的典型熔池形態(tài)，可最大程度增加焊材的有效接合面積，提升材料焊接強度、成形質(zhì)量和力學性能。在消費電子、汽車制造、航空航天等對焊接質(zhì)量、精度和效率要求較高的行業(yè)中，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

激光焊接機理

1 激光焊接定義

以可聚焦的激光束作為焊接熱源，當高強度激光照射在被焊材料表面上時，部分光能將被材料吸收并轉(zhuǎn)換成熱能使材料熔化，待熔融金屬冷卻凝固后形成焊點或焊縫。

2 激光焊接類型

激光焊接方式分熱傳導(dǎo)焊接和激光深熔焊。通常功率密度＜106W/cm2時為熱傳導(dǎo)焊接，激光輻射能量只作用于材料表面，下層材料的熔化靠熱傳導(dǎo)進行。主要用于薄壁材料焊接。當功率密度＞106W/cm2時為激光深熔焊，材料表面金屬迅速氣化，激光束深入材料內(nèi)部，從而獲得高深寬比熔池，多數(shù)適用厚板焊接。

熱傳導(dǎo)焊接VS激光深熔焊

熔池深度VS功率密度

激光深熔焊特性決定其焊接過程易產(chǎn)生飛濺焊渣，故實際應(yīng)用中常用深熔焊和熱導(dǎo)焊復(fù)合的方式（如納秒焊接、可調(diào)環(huán)形光束等）改善焊點或焊縫外觀。

3 激光光強分布

激光光強通常呈現(xiàn)高斯型分布，即光斑中心光最強，向邊緣逐漸減弱。但在很多應(yīng)用中，為改善焊渣飛濺情況或增強焊接穩(wěn)定性，激光光強呈平頂分布狀態(tài)。

激光光強分布

4 接頭形式

激光焊接為非接觸式，光束可多角度入射到產(chǎn)品表面，觸之可及的地方基本均能進行焊接，故焊接接頭形式多樣，常見的接頭形式包括對接、搭接和角接。

接頭形式

U形熔池定義

U形熔池是指焊縫或焊點橫截面形貌呈U字形狀，通常熔池深寬比較�。ㄈ鄢厣疃�/熔池寬度），其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在保證焊接強度，增強焊接穩(wěn)定性，同時改善焊渣或飛濺。相比V字形熔池，U形熔池熔融面積相對較大，能量輸入較多，熱應(yīng)力較大，焊接時需注意其對產(chǎn)品變形的影響。

能量高斯分布

脈沖焊-V形熔池

能量帽形分布

脈沖焊-U形熔池

U形熔池成型原理

低功率密度條件下，光強呈帽形或平頂分布，激光能量均勻輻照到焊接區(qū)域，熱量由表面向材料內(nèi)部傳導(dǎo)(熱傳導(dǎo)焊接)，在足夠出光時間下，形成U形熔池。此種類型的U形熔池多應(yīng)用于多�；虬雽�(dǎo)體激光器的焊接。

高功率密度條件下，光強呈高斯分布，單點或單焊縫熔池形貌呈V形或I字形。通過擺焊接軌跡的方式，如振鏡焊接、搖擺頭式焊接等，優(yōu)化組合多V形或I形微熔池成U形熔池。該種方式的U形熔池主要出現(xiàn)在單�；蚣{秒激光焊接的應(yīng)用中。

U形熔池影響因素

1 功率

反應(yīng)的是單位時間能量輸入大小，功率越大，功率密度越高，能量主要往材料底部方向穿透，焊接熔深越大，越易獲得V形熔池，反之，熔池接近U形。

2 速度

體現(xiàn)的是單位時間內(nèi)熱量的積聚。高低速度條件下均可獲得U形熔池，前者主要通過多軌跡組合實現(xiàn)，后者則是采用熱傳導(dǎo)方式促成U形熔池成型。

3 脈寬

即出光時間，無論是點光源，還是面光源，脈寬越長，能量輸入越大，熱量由表面逐步向材料內(nèi)部傳導(dǎo)，相對更容易形成U形或類U形熔池。

4 離焦量

本質(zhì)上是功率密度降低，焊接模式由深熔焊向熱傳導(dǎo)焊逐漸轉(zhuǎn)變的過程，熔池形貌也逐漸由V形向U形過渡。

5 保護氣

氮氣和氬氣是激光焊接過程中常用保護氣體。保護氣使得高溫金屬熔池氧化減少，熔池中氧化物夾雜含量降低，液態(tài)金屬熔池邊緣表面張力更小，導(dǎo)致熔池寬度增加量會比較明顯，從而促使U形熔池向丁字頭或V字形貌轉(zhuǎn)變。

注意事項：保護氣體對低功率密度條件下的U形熔池形貌影響較大，制程如有保護氣使用，需關(guān)聯(lián)調(diào)整相關(guān)配置或參數(shù)。

U形熔池典型行業(yè)應(yīng)用

U形熔池形貌可最大程度增加焊材的有效接合面積，不僅利于產(chǎn)品焊接強度提升，還可保證焊接過程的穩(wěn)定性，在消費電子、汽車制造、航空航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。消費電子行業(yè)——穿戴電子、連接器、電腦、手機等構(gòu)件及配件焊接；汽車制造行業(yè)——汽車車身、動力電池極耳等焊接；航空航天行業(yè)——發(fā)動機葉片、燃料儲箱等焊接。

大族激光3C焊接U形熔池工藝應(yīng)用案例 

隨著電子設(shè)備向集成化、微型化快速發(fā)展，對精度、效率、質(zhì)量的要求越來越高，U形熔池提升焊接強度、穩(wěn)定性等優(yōu)勢，使其在精密電子中的應(yīng)用越來越廣泛。

大族激光3C焊接及自動化聚焦基礎(chǔ)研究和源頭創(chuàng)新，持續(xù)加大在U形熔池焊接應(yīng)用等先進技術(shù)工藝上的探索開發(fā)和推廣應(yīng)用，圍繞用戶加工需求，反復(fù)驗證工藝技術(shù)，不斷優(yōu)化配置參數(shù)，提供最佳的焊接方法，實現(xiàn)最優(yōu)的焊接效果。

轉(zhuǎn)自：大族激光精密焊接事業(yè)群

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