半导体激光焊接的发展及应用

张坚

摘 要  半导体激光器的出现与发展是许多研究工作者共同的智慧结晶，它的诞生给整个信息光电子领域带来了蓬勃生机。随着应用领域的迅速扩大，半导体激光器的发展速度很快。目前，半导体激光器已在光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形码扫描、集成光学领域发挥着极其重要的作用。并在测量、自动控制、医疗、材料加工以及作为泵浦光源方面有着愈来愈重要的应用。

关键词 激光技术；半导体激光器；金属焊接；非金属焊接；生物结构焊接；前景展望

1 引 言

焊接技术是实现材料永久性连接的方法，被广泛应用在机械制造、动力工程、建筑工程、车辆工程、石油化工和航空航天等领域，已成为制造业不可或缺的加工技术。目前常用的焊接方法有电弧焊接、电子束焊接、电阻焊接和钎焊等。但这些焊接方法在空间限制和对精细件的操作等方面都存在各自的缺点。激光束作为一种高能量密度的热源，因其具有高精度、高能量密度和适应性强的特点，近些年在焊接领域得到了迅速的发展和运用，已逐渐成为传统焊接技术的补充和发展，并正朝着高质量、低成本的方向发展，具有很大的发展前景和发展潜力。在未来，其在材料连接领域必将起到至关重要的作用。

1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦（LDP）的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。

为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。

2 基本原理

2.1 半导体焊接的理论基础

半导体激光器是一种在激励之下能够发出相干辐射光（相位相同、波长基本相同、强度较大）的光电子器件。通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。

2.1.2 半导体激光器的工作特性

（1）阈值电流

注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光，影响阈值的几个因素:

①晶体的掺杂浓度越大阈值越小。
②谐振腔的损耗小如增大反射率值就低。

③与半导体材料结型有关异质结值电流比同质结低得多目前室温下同质结的值电流大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十瓦的半导体激光器。

④温度煎高阈值越高100K以上值随T的三次方增加因此半导体激光器最好在低温和室温下工作。

（2）方向性
由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。
（3）效率
量子效率η＝每秒发射的光子数/每秒到达结区的电子空穴对数
77K时GaAs激光器量子效率达70％-80％；300K时，降到30％左右
功率效率η1＝辐射的光功率/加在激光器上的电功率
由于各种损耗，目前的双异质结器件室温时的η1最高10％，只有在低温下才能达到30％-40％。

2.1.3 焊接过程

激光焊接本质上是非透明物质和激光相互作用的过程。整个过程是极其复杂的反应过程，宏观上表现为熔化、吸收、汽化和反射，微观上是一个量子过程。根据焊接的机理分为热传导焊接和激光深熔焊。热传导焊接是当激光辐射到焊接材料上时，一部分激光被焊接材 料吸收并将光能转化为热能，表面热量通过以热传递的形式向材料深处传递使焊接工件熔化，最终将焊件熔接到一起。激光深熔焊是将功率密度较大的激光束辐射到焊接材料时，材 料将吸收的光能转化为热能，并被加热到汽化产生金属蒸汽，在金属蒸汽离开工件表面时产生的反作用力的作用下，熔化的金属液体流向四周并形成凹坑，随着热量的不断产生，凹坑逐渐加深，当停止激光的照射后，凹坑周边溶液回流、冷却后将工件焊接在一起^[1]。

2.2 半导体激光器在焊接领域的优势

传统的金属激光焊接采用的激光器主要有ＣＯ_２激光、ＮＤ∶ＹＡＧ脉冲激光、光纤激光、半导体泵浦固体激光器等。ＣＯ_２激光的功率很高，可以达到上万瓦，但是由于光电转化效率低而且金属对其波长的吸收率较低，现主要用于厚板金属材料的焊接。Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光由于是以单点脉冲的形式出光焊接，对于连续焊接的效率效果很难保证，而且功率一般比较低，很难满足２ｍｍ以上铝合金焊接要求。光纤激光具有功率密度高、光束质量好、能量密度相对集中、寿命长等特点，现在广泛用于各种金属焊接应用，但是价格较昂贵一次性投入较大。

3半导体激光焊接的发展前景

3.1 行业发展

2013-2018年，我国激光焊接设备行业市场规模从21.3亿元增长至88.6亿元，年复合增长率高达33.57％。其中，2017年是我国激光焊接设备市场规模发展最快一年，2017年随着新能源汽车、锂电池、消费电子、半导体及新兴产业市场的需求驱动，对激光焊接设备的需求更是进一步上升，2017年中国激光焊接设备市场规模达到71.4亿元，同比增长71．22％，市场规模呈现高速增长。2018年全球经济呈下行趋势，市场投资收紧，我国制造业、消费电子行业市场需求出现收缩态势，激光焊接设备市场规模增速也大幅放缓，同比增长24.09％。

将激光用于焊接机器人是激光焊接的一种重要形式。焊接机器人具有多自由度、编程灵活、自动化程度高、柔性程度高等特点，是焊接生产线的重要组成部分。将激光器安装在焊接机器人上进行焊接，大大提高了焊接机器人的焊接质量和适用范围，在船板、汽车生产线中激光焊接机器人具有越来越重要的地位。

参考文献

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