就連接批量生產(chǎn)的汽車車身所使用的鍍鋅鋼板而言，二極管激光釬焊是一種行之有效的方法。專為這一應(yīng)用開發(fā)的釬焊光學(xué)元件，通過機器人沿著接縫移動。激光束通過光纖被傳輸?shù)焦鈱W(xué)元件中，而銅硅線（CuSi3）則在釬焊過程中熔化。
激光釬焊技術(shù)取得成功的關(guān)鍵，除了能提供類似于焊接所展現(xiàn)的穩(wěn)定性之外，主要在于其高質(zhì)量的接縫外觀。激光產(chǎn)生的釬焊縫以其光滑、潔凈的表面以及對部件的牢固連接而著稱，在視覺上極具吸引力，而且?guī)缀鯚o需后續(xù)處理，清洗后便可立即著色上漆。與傳統(tǒng)的連接技術(shù)不同，激光釬焊能實現(xiàn)這種獨特的接縫效果，無需額外的覆蓋件，也免去了相應(yīng)的儲存和組裝工作。
然而，至少在一定程度上，激光釬焊技術(shù)現(xiàn)在已無法滿足人們所寄予的厚望。汽車制造商越來越多地轉(zhuǎn)向在車身上使用熱浸鍍鋅鋼板。熱浸鍍鋅比傳統(tǒng)的電鍍鋅更耐腐蝕，因而這種改變可以帶來技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢。
由于新的鋼板表面特性，激光釬焊已無法達(dá)到往常的效果。靠近接縫處的飛濺物越來越多，尤其是細(xì)微飛濺物，起初很難被察覺，但在噴漆后就暴露無疑。接縫本身的質(zhì)量也出現(xiàn)下降，由于變得更粗糙，常會顯示出所謂的小波紋，如果超量，甚至?xí)鼋涌p外觀可接受的標(biāo)準(zhǔn)范圍。這些工藝上的困難使得汽車制造商紛紛從分銷商處尋求替代方案。
圖1：三光點模塊被整合進Scansonic ALO3 釬焊光學(xué)元件（a）；優(yōu)化矩形光斑（或光斑）三光點模塊（b）。
在那時，已經(jīng)對使用矩形光斑而非傳統(tǒng)的圓形光斑的釬焊工藝進行了測評。為了在釬焊光學(xué)元件中產(chǎn)生矩形光斑，我們在Scansonic ALO3釬焊光學(xué)元件中添加了均質(zhì)化模塊（圖1）。Laserline公司使用這種均化器產(chǎn)生矩形光斑從而使激光功率增強到10 kW，這一技術(shù)至今已被使用多年。
三光點模塊技術(shù)
目標(biāo)是產(chǎn)生一個矩形光斑，它所帶有的凹進處可供焊絲。第一種幾何結(jié)構(gòu)并沒有直接帶來所期望的成功，但在一年之內(nèi)，就開發(fā)（包含幾個迭代階段）出了目前的三光點模塊，稱其為優(yōu)化矩形光斑（或光斑）模塊。在此解決方案中（圖1b），有兩個較小的光斑定位于主光斑的前方，用于燒蝕釬縫邊緣的鍍層。主光斑則熔化更大的范圍，直接順著一個獨立的進程，打造出所需的焊縫。
通過燒蝕接縫邊緣區(qū)域的鋅而使焊接過程變得平穩(wěn)，幾乎完全避免了飛濺物和小波紋的產(chǎn)生，從而得到了光滑而潔凈的接縫。
圖2：采用熱浸鍍鋅材料的釬焊測試結(jié)果為4.5 米/ 分鐘（a）。采用三光點模塊完成釬焊過程（b）。
通過釬焊光學(xué)裝置中的三光點模塊獲得的三束分布的激光具有多重有益的特性（圖2）。為實現(xiàn)上文所描述的平穩(wěn)的釬焊過程，必須保證三處光斑得到精確布局；而另一方面，準(zhǔn)確調(diào)整好三處光斑的激光功率分布也十分重要。此外，還應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用（車頂或是后擋板）或接縫幾何形狀為三處光斑設(shè)置不同的功率分布方案。專利的三光點模塊具有對主光斑與前光斑、及兩處前光斑之間的功率分布進行無級調(diào)整的優(yōu)勢。
此外，憑借這一模塊，兩處前光斑之間的空間可以隨即調(diào)整。在觸覺式釬焊光學(xué)裝置中，三光點模塊直接位于集成旋轉(zhuǎn)軸之后，這也有特別用意。據(jù)介紹，由Scansonic擁有專利的觸覺式釬焊光學(xué)裝置已被投入應(yīng)用了一段時間，可顯著降低潛在的焊縫缺陷。
機器人在路徑和組件的精度上存在局限，而夾持技術(shù)也并不總能保證完全相同的焊縫位置。光學(xué)裝置將焊絲用作焊縫跟蹤傳感器，而前部伸縮臂扭轉(zhuǎn)以配合焊縫跟蹤。轉(zhuǎn)動軸后，光束重新按45°鏡像定向，并跟隨焊絲指向。因為模塊集成于轉(zhuǎn)動軸后，生成的三處光斑總是正確朝向焊絲。因此，可以對帶機器人和光學(xué)裝置的釬焊過程進行編程。如果采用三芯光纖（市場有售）來生成三光斑，轉(zhuǎn)動軸必須被排除在外。當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)軸時，由于45°鏡像，前光斑將轉(zhuǎn)向主光斑軸，這將會引起工藝流程的波動。然而有了三光點模塊，就不再需要特種光纖或激光器了。
世界各地的幾乎所有大型汽車制造商都選擇Laserline二極管激光器用于釬焊。光束參數(shù)為60 mm-mrad的二極管激光器屬于標(biāo)準(zhǔn)型激光器，公司已開發(fā)出用于這些激光器的三光點模塊，因而可以使用多達(dá)六通道的標(biāo)準(zhǔn)激光器。此外，標(biāo)準(zhǔn)光纖可以通過即插即用方式插入，有利于在老式系統(tǒng)上配備三光點模塊。在大多數(shù)情況下，使用中的標(biāo)準(zhǔn)激光器只需變動光學(xué)元件即可。
由于所具備的各種優(yōu)勢功能，2016年初開始引入的三光點模塊已經(jīng)進入了汽車生產(chǎn)鏈。現(xiàn)在，這種模塊被集成到幾個系列產(chǎn)品中。三光點概念為熱浸鍍鋅鋼板釬焊提供了一個采用常規(guī)生產(chǎn)工藝和技術(shù)實現(xiàn)高品質(zhì)的理想的解決方案。
鋁合金焊接應(yīng)用
除了釬焊之外，鋁合金焊接是二極管激光器第二個最常見的應(yīng)用。在過去五年里，數(shù)十個功率為4-6kW的二極管激光器系統(tǒng)已完成現(xiàn)場安裝。
圖3：奧迪Q5鋁合金后擋板，焊縫可見。
圖3顯示了后擋板的焊接外觀實例。部件幾何形狀、夾持技術(shù)和工藝過程類似于外表面的激光釬焊。然而，鋁合金焊接要求聚焦直徑更小，通常為0.6至0.9mm，以實現(xiàn)穿透焊。激光焊接也經(jīng)常用于結(jié)構(gòu)部件。焊接后，焊縫無需二次修整即可直接噴漆。
三光點觸覺激光焊接
先前描述的典型鋁合金焊接工藝的特點是采用圓形光斑，直徑0.6 至0.9mm。激光通過φ為600μm 的光纖傳導(dǎo)，并通過放大倍率為0.9的觸覺光學(xué)裝置聚焦到工件，以實現(xiàn)穿透焊。圖4顯示了一個搭接角焊縫的橫截面，采用1.6mm 鋁硅合金（AlSi）填充焊絲，通常應(yīng)用于裝配件的結(jié)構(gòu)部位或不可見部位。
圖4：奧迪A6 鋁合金門上的縫焊和填角焊。
如果想要避免焊穿、根部凹陷，或是想要達(dá)到甲級焊縫表面，可以采用定制型的三光點模塊。它可以優(yōu)化熱流分布，從而改善焊縫的表面和截面。其工作原理同先前的釬焊部分。
圖5顯示了5xxx鋁合金測試取樣片的直邊填角焊結(jié)果， 采用了由Laserline公司的應(yīng)用實驗室定制的三光點幾何形狀。對應(yīng)于給定的機器人和焊絲速度的工藝窗口，功率3.8至4.6kW，速度4 m/min。當(dāng)主光斑實施焊接時，附加圓形光斑在其前、后運行使焊縫順滑。因此，這些定制的光斑幾何形狀可將熱傳導(dǎo)焊與穿透焊的優(yōu)點結(jié)合在一起。光斑的中心部分熔開焊接部位，而其外圍的激光強度確保可媲美熱傳導(dǎo)焊的順滑焊縫。
圖5：5xxx 鋁合金測試取樣片的直邊填角焊結(jié)果，采用定制的三光斑幾何形狀。
圖6顯示的是在轎廂頂部外殼上采用類似工藝的結(jié)果。定制的激光強度形狀和熱分布可實現(xiàn)非常光滑、牢固的焊縫。
圖6：在轎廂頂部外殼上采用三光點工藝的實例，可實現(xiàn)非常光滑、牢固的焊縫。
由于對鋁合金激光焊接基礎(chǔ)的了解已較為深入，因而進一步的改善很有可能發(fā)生在焊接過程的細(xì)節(jié)上，例如，光斑幾何形狀通過改變可被優(yōu)化到最佳狀態(tài)。憑借其穩(wěn)健、易于操作和高度模塊化的特點，二極管激光器致力為現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造出更高的附加價值。
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