據(jù)悉，德國(guó)通快的研究人員報(bào)道了利用高功率激光器的動(dòng)態(tài)光束整形提高發(fā)卡定子的生產(chǎn)率研究，為電動(dòng)汽車行業(yè)創(chuàng)造機(jī)遇。相關(guān)研究以“Unlocking opportunities for the EV industry with beam shaping of high-power lasers”為題發(fā)表在《PhotonicsViews》上。

在全球向可持續(xù)交通轉(zhuǎn)變的推動(dòng)下，電動(dòng)汽車（EV）行業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的增長(zhǎng)。激光焊接已成為該行業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，為降低生產(chǎn)成本、擴(kuò)大新型電池和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的制造選擇提供了一種便捷方式。雖然激光發(fā)展迅速，功率水平已達(dá)到24kW甚至更高，但在焊接過(guò)程中如何有效應(yīng)用如此高的激光功率仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

這篇文章探討了發(fā)卡焊接過(guò)程中可用激光功率與將其轉(zhuǎn)化為更高生產(chǎn)率之間的差距。這些局限性，尤其是熔池動(dòng)力學(xué)方面的局限性，阻礙了高激光功率潛力的充分發(fā)揮。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員探討了創(chuàng)新的光束整形方法來(lái)克服這些限制，并在焊接過(guò)程中利用更高的激光功率。通過(guò)詳細(xì)的演示，研究人員展示了如何應(yīng)用新的光束整形技術(shù)使更高的激光功率在焊接中得到實(shí)用化，從而將生產(chǎn)率提高到前所未有的水平。這項(xiàng)研究不僅有助于優(yōu)化電動(dòng)汽車部件的激光焊接，還為先進(jìn)制造技術(shù)的更廣泛應(yīng)用打開(kāi)了大門。

在過(guò)去幾年中，電動(dòng)車行業(yè)從小型制造廠迅速發(fā)展為大規(guī)模制造廠。生產(chǎn)技術(shù)（如基于掃描儀的激光焊接）的進(jìn)步促進(jìn)了這一轉(zhuǎn)變，使生產(chǎn)速度大大快于其他任何技術(shù)。電池和電動(dòng)汽車生產(chǎn)的苛刻要求也加速了更高功率和亮度的激光源的開(kāi)發(fā)，這反過(guò)來(lái)又增加了開(kāi)發(fā)新應(yīng)用來(lái)使用這些先進(jìn)工具的必要性。光束整形是一種關(guān)鍵方法，它可以使用更大功率的激光，將加工極限推向更高水平，從而為提高生產(chǎn)率打開(kāi)大門。下文將介紹發(fā)卡焊接的進(jìn)步，以及如何通過(guò)調(diào)整光斑大小和激光束輪廓將焊接時(shí)間縮短2.5倍。

疊加激光束

焊接各種電池或電子驅(qū)動(dòng)器的觸點(diǎn)（主要由鋁、銅和鋼制成）需要一種輸入熱量低且焊縫內(nèi)無(wú)氣孔的低飛濺工藝。此外，熔融材料的滲透深度和體積應(yīng)保持在最低水平。為滿足這些要求，必須通過(guò)控制鎖孔和周圍熔池的形狀和動(dòng)態(tài)來(lái)穩(wěn)定工藝。

針對(duì)這些特點(diǎn)，研究人員采用了一種通快BrightLine Weld的焊接方法，通過(guò)穩(wěn)定鎖孔來(lái)控制焊接過(guò)程。這是通過(guò)疊加兩束激光（一束核心光束和一束環(huán)形光纖光束）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這將對(duì)鎖孔和周圍的熔池產(chǎn)生穩(wěn)定影響。這一創(chuàng)新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于涉及銅、鋁和鋼部件的各種應(yīng)用中，例如電動(dòng)汽車行業(yè)。

圖1顯示了焦平面上來(lái)自 TruDisk BrightLine Weld 激光源的疊加激光束的光束輪廓。 草圖顯示，兩束光束疊加在一起，并被引入鎖孔。因此，與沒(méi)有環(huán)形光束的情況相比，鎖孔開(kāi)口呈圓錐形，這是加工過(guò)程中穩(wěn)定的主要效果。這種現(xiàn)象不僅能形成穩(wěn)定的鎖孔，還能使表面附近的熔融材料顯著增加。這兩種效果對(duì)于減少飛濺和孔隙的形成都至關(guān)重要。

圖 1 BrightLine Weld 對(duì)焊接過(guò)程的影響。激光束被耦合到內(nèi)光纖芯和同軸環(huán)形光纖上。

表 1 實(shí)驗(yàn)配置

焊接結(jié)果

基于激光的發(fā)卡式焊接工藝是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗缶_快速的連接，同時(shí)最大限度地減少孔隙形成、熱輸入和飛濺。要防止不穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)發(fā)卡定子設(shè)計(jì)中的精確連接，就必須深入了解該工藝。與此同時(shí)，還需要保持較高的工藝效率，最大限度地減少材料損耗，優(yōu)化周期時(shí)間，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的完整性。具有2合1光纖導(dǎo)向功能的多模激光器主要用于焊接銅質(zhì)發(fā)卡，激光功率高，質(zhì)量要求嚴(yán)格。與其他高功率光束整形技術(shù)相比，通快的 BrightLine 焊接技術(shù)（可用于盤式激光器和光纖激光器）能夠利用全部激光功率。用于光纖耦合的光學(xué)裝置設(shè)計(jì)用于支持可互換光纖，并在保持光束質(zhì)量完整性的同時(shí)集成多個(gè)光束輸出。

圖 2 BrightLine Weld用于調(diào)整纖芯和環(huán)形光纖之間功率分布的光楔。

為了解決短工藝時(shí)間和最小化飛濺和氣孔的挑戰(zhàn)，采用了BrightLine Weld技術(shù)，以確保堅(jiān)固、導(dǎo)電的連接，與單獨(dú)使用芯纖維的工藝相比，顯著減少了氣孔和飛濺(參見(jiàn)圖3)。在焊接過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整芯纖維和環(huán)纖維之間的激光功率分割比，提供了一種協(xié)同方法，將快速加工時(shí)間與減少氣孔產(chǎn)生結(jié)合起來(lái)。在整個(gè)焊接過(guò)程中，激光功率在芯和環(huán)光纖之間交替進(jìn)行，以優(yōu)化結(jié)果。雖然飛濺減少了，但在這種工藝策略下，仍然可以觀察到少量的飛濺。

圖 3 TruDisk 8000多模激光器使用單芯、靜態(tài)和動(dòng)態(tài) BrightLine Weld 過(guò)程的焊接性能比較。相應(yīng)的飛濺和孔隙圖像顯示，動(dòng)態(tài) BrightLine 模式工藝的速度和質(zhì)量都有所提高。

為了應(yīng)對(duì)加工時(shí)間短、飛濺和氣孔最小化的挑戰(zhàn)，BrightLine Weld技術(shù)的應(yīng)用確保了穩(wěn)固的導(dǎo)電連接，與單獨(dú)使用芯光纖的加工相比，顯著減少了氣孔和飛濺（參見(jiàn)圖 3）。在焊接過(guò)程中，對(duì)芯光纖和環(huán)光纖之間的激光功率分配比例進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整可提供一種協(xié)同方法，將快速加工時(shí)間與減少氣孔生成相結(jié)合。在整個(gè)焊接過(guò)程中，纖芯和環(huán)形光纖之間的激光功率交替變化，以優(yōu)化焊接效果。采用這種工藝策略后，雖然飛濺物有所減少，但仍可觀察到少量飛濺物。

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https://doi.org/10.1002/phvs.202400017