光纖激光器用于焊接領(lǐng)域雖然已逾十年，但很多最終用戶仍在尋找改善部件加工質(zhì)量、提高產(chǎn)量以及降低加工成本之道。制造商越來越多地希望激光器或激光器系統(tǒng)供應(yīng)商能夠提供全面優(yōu)化的解決方案，甚至可囊括面向特殊應(yīng)用的特定“工藝配方”。

相干公司的 CleanWeld 凈焊技術(shù)很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)；CleanWeld 是一套適用于光纖激光器焊接的綜合方案，不僅可以減少高達(dá) 80% 的飛濺，還能最大程度避免出現(xiàn)裂紋，同時(shí)降低 孔隙率。在改善工藝一致性的同時(shí)，CleanWeld 在某些焊接工藝中，所使用的激光功率較往常下降了 40% 。下表匯總了針對(duì)光纖激光器在過去面對(duì)的具有挑戰(zhàn)性的一些應(yīng)用領(lǐng)域中 CleanWeld 能提供的具體優(yōu)勢。

CleanWeld 凈焊技術(shù)將相干公司在多個(gè)不同技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)（包括光纖激光器、傳輸光纖、聚焦光學(xué)器件和加工頭）， 以及我們廣泛的焊接工藝知識(shí)和內(nèi)部應(yīng)用開發(fā)能力熔于一爐，由此改善優(yōu)化了加工效果。 CleanWeld 凈焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確管理激光器功率在特定情形中的應(yīng)用方式，從而最大程度提高工藝可控性和穩(wěn)定性，確保始終保持一致的卓越加工效果。

由于除了激光器之外，還有諸多因素會(huì)影響焊接工藝，因此上述所有能力缺一不可。在焊接加工過程中控制并盡可能提 高匙孔和熔池的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)卓越加工效果的關(guān)鍵因素。然而 在實(shí)際加工過程中，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要改變包括聚焦激光光斑的能量分布和采用光束擺動(dòng)在內(nèi)的各種技術(shù)，同時(shí)還涉及對(duì)保護(hù)氣體以及焊接過程中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行精確動(dòng)態(tài)控制等諸多因素。CleanWeld 凈焊技術(shù)可助您解決這些問題。

技術(shù)背景

在深熔焊過程中，激光聚焦會(huì)形成極高的功率密度，被激光聚焦的金屬會(huì)氣化，從而被熔池包圍產(chǎn)生匙孔。由激光光束吸收產(chǎn)生的匙孔內(nèi)的蒸汽壓力會(huì)阻止熔池閉合。聚焦的激光光束和匙孔會(huì)沿焊接軌跡持續(xù)移動(dòng)。

焊接質(zhì)量由焊接加工過程中匙孔的穩(wěn)定性決定。目的是在整個(gè)匙孔深度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量平衡，確保能量的均勻吸收，并且匙孔周圍不會(huì)產(chǎn)生紊亂的熔池。這同時(shí)又可以保證焊接深度的一致性，更重要的是，能夠極大程度地減少焊接工藝中的飛濺并降低孔隙率。

目前為止，借助光纖激光器技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量和可靠性已經(jīng)成為了可能，但之所以在實(shí)際加工過程中效果不理想是因?yàn)楣饫w激光器固有的能量分布形式非常適合切割，但是不有助于提高焊接的穩(wěn)定性。

事實(shí)上，可以通過優(yōu)化多種工藝參數(shù)組合，進(jìn)而對(duì)特定焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，這也正是 CleanWeld 凈焊技術(shù)本質(zhì)所在。其中最顯而易見的因素應(yīng)該是激光功率和聚焦激光光束的光斑的大小，以及激光能量分布。事實(shí)上，必須綜合考慮這三個(gè)因素才能達(dá)到所需的效果，因?yàn)樽饔糜诠ぜ墓β拭芏龋ǘ强傮w功率）才是影響焊接結(jié)果的真正因素。此外，根據(jù)上聚焦位置也很關(guān)鍵 – 需要根據(jù)上層材料的厚度來進(jìn)行優(yōu)化在熔池動(dòng)態(tài)對(duì)流過程中，精確控制激光強(qiáng)度分布（橫向分布和深度分布）可以調(diào)整激光能量在匙孔中的吸收率（以及匙孔的后續(xù)形狀和暫時(shí)穩(wěn)定性）。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度分布會(huì)直接決定工件和匙孔中的溫度梯度。

在傳統(tǒng)工藝中，光纖激光器采用單一圓纖芯光纖，提供的實(shí)質(zhì)上是單模或多模圓形光斑?，F(xiàn)在，我們可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的激光能量分布。其中包括方形芯（或其他形狀） 以及多芯光纖（例如由兩個(gè)同心芯組成的光纖）。

然后，可以使用各種加工（聚焦）光學(xué)器件進(jìn)一步調(diào)整或更改聚焦光斑的大小、形狀和位置。此外，還可以借助功率放大、激光調(diào)制和光束移動(dòng)技術(shù)（例如光束擺動(dòng)）來調(diào)整工件表面指定位置上的有效功率，以及此功率的傳輸頻率。

除了聚焦光學(xué)器件之外，激光焊接加工頭也可以采用噴嘴來吹送工藝氣體，以及清除持續(xù)產(chǎn)生的等離子體。尤其是可以使用某些輔助氣體來穩(wěn)定特定材料的加熱溫度以及保持熔池內(nèi)的穩(wěn)定。此外，還可以使用氣刀來保護(hù)光學(xué)鏡片，吹走焊接過程中產(chǎn)生的飛濺對(duì)所有相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化后，我們得以向您提供完整且經(jīng)濟(jì)高效的 CleanWeld 解決方案，根據(jù)您的具體需求提供卓越的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)能力，而不僅僅只是一臺(tái)只能提供一個(gè)額定輸出功率 的激光器。

鋁制電池蓋板焊接

在電動(dòng)汽車所用的鋰電池生產(chǎn)中，其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是焊接電池外殼。此焊接過程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過程中不出問題。尤為重要的是，鋰電池需要此密封來阻隔水分入滲，以防水會(huì)與鋰元素發(fā)生劇烈反應(yīng)，致使產(chǎn)生的氣體和壓力毀壞設(shè)備。此外，焊接工藝本身不能產(chǎn)生任何飛濺，因?yàn)榻饘兕w粒（以及水分）會(huì)造成內(nèi)部漏電流，致使電池短路。最后，焊縫必須具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，能耐受住粗暴處理，甚至要能夠經(jīng)受住碰撞的沖擊。

在傳統(tǒng)工藝中，由于電池壁很薄 (< 1 mm)，這種鋁電池殼體的密封是使用激光熱傳導(dǎo)焊接實(shí)現(xiàn)的。 然而，傳導(dǎo)焊接的穿透力不足，焊接的孔隙率較高且強(qiáng)度也不夠，無法阻隔水分滲入。但是， 使用更高的激光功率實(shí)現(xiàn)更深穿透（匙孔）的焊接有產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不夠，并且總是會(huì)存在一定程度的飛濺。

相干公司在經(jīng)過大量研發(fā)工作后發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)高速低飛濺的激光深熔焊，有一個(gè)解決方案就是使用 相干公司 HighLight ? FLARM- 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器可讓聚焦光纖激光光斑實(shí)現(xiàn)這種特殊配置。該激光器的傳輸光纖強(qiáng)化了傳統(tǒng)的圓形纖芯， 外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。

HighLightFL-ARM 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器可提供 2.5kW-10kW 的輸出功率?？筛鶕?jù)需要單獨(dú)調(diào)節(jié)中心和環(huán)形的功率，調(diào)節(jié)范圍可從 1% 到 100%。纖芯和環(huán)形光束甚至可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率高達(dá) 5 kHz。

在這種布局中，內(nèi)部光束與外部光束二者間的功率實(shí)際上有無限種可能的組合。然而，所有這些組合大致上均可分組為圖中所示的配置。這些基本模式可以變化調(diào)整來提供廣泛的工藝特性， 從而以最優(yōu)方式滿足各種應(yīng)用的需求。

光纖激光器焊接鋁材時(shí)，挑戰(zhàn)之一在于材料對(duì)近紅外線的吸收率相對(duì)較低。吸收率可能存在較小的不可預(yù)知的變化，這也會(huì)導(dǎo)致穿透深度發(fā)生變化，造成焊接不均勻。

為了解決這個(gè)問題，以及優(yōu)化控制鋁電池殼體匙孔焊接， FL-ARM 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器光束的中心和環(huán)形部分的光束功率均可配置。通過使用這種特殊的功率配置方法，光束前緣能夠充分提高鋁材溫度，進(jìn)而提高相應(yīng)激光波長下的吸收率。 此外，光束中心部分會(huì)形成匙孔，而由于經(jīng)過預(yù)熱，匙孔相當(dāng)穩(wěn)定。 環(huán)形光束的后緣讓熔池可以在足夠長的時(shí)間內(nèi)保持開放，使氣體逸出。由于匙孔較為穩(wěn)定，材料不會(huì)迅速重新凝固，因此整個(gè)加 工過程更加一致，工藝區(qū)間也更大。最終得到均勻一致的材料穿透，以及低飛濺，低孔隙率的更高質(zhì)量的焊接。

“ 銅制發(fā)卡繞組 ” 焊接

將桿式銅制發(fā)卡繞組焊接到電機(jī)定子中是生產(chǎn)汽車電動(dòng)馬達(dá)的一個(gè)重要步驟。銅制發(fā)卡繞組（形狀為“U”型，因此被稱為“銅制發(fā)卡繞組”）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)中使用的線繞繞組。因?yàn)楸冉饘俳z硬得多，我們可以更精確地控制銅質(zhì)發(fā)卡繞組在電機(jī)中的方向， 最終實(shí)現(xiàn)更大的熱應(yīng)力和更高的電機(jī)效率。

在組裝過程中，首先會(huì)將各個(gè)銅制發(fā)卡繞組裝載到定子槽中。然后，將相鄰銅制發(fā)卡繞組的末端焊接在一起，實(shí)現(xiàn)電路連接；焊接整個(gè)電機(jī)后，像傳統(tǒng)電機(jī)的繞組一樣，所有發(fā)卡將形成一條較長的絞合導(dǎo)線。

這個(gè)過程的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是焊接必須保持銅制發(fā)卡繞組的機(jī)械定位精準(zhǔn)，并且不沒有任何雜質(zhì)和顆粒物。銅制發(fā)卡繞組對(duì)齊非常重要，因?yàn)槔@組形狀準(zhǔn)確將直接影響電機(jī)效率。如果存在瑕疵，繞組成品的阻力就會(huì)增大，這不僅會(huì)降低電效率，還可能會(huì)降低組件的機(jī)械強(qiáng)度。

相干公司研發(fā)了一種使用光纖激 光器來進(jìn)行銅制發(fā)卡繞組焊接改善加工效果?；跇?biāo)準(zhǔn) HighLight ? 系列光纖激光器的工藝的第一個(gè)關(guān)鍵因素就是“光束擺動(dòng)”的使用。尤其是在 這種情況下，我們可以有意縮小工件 表面上聚焦光束的大小，使其小于焊接區(qū)域的總面積。但是，整個(gè)區(qū)域可 以通過快速掃描（擺動(dòng)）光斑的位置來進(jìn)行覆蓋。

正如 FL-ARM 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器，光束擺動(dòng)的優(yōu)勢就是可以更精確地控制熔池的溫度動(dòng)態(tài)。具體而言，通過讓光束反復(fù)快速地在工件上移動(dòng)而不做停留，基本上能夠以高度可控的方式（而不是一次輸出所有功率）對(duì)工件實(shí)施預(yù)加熱，在提高光束效率的同時(shí)也不會(huì)減少有效功率。與傳統(tǒng)激光器焊接方法相比，F(xiàn)LARM 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器有助于穩(wěn)定熔池，減少飛濺、避免瑕疵并降低焊接孔隙率。

相干公司還可提供改善激光焊接銅制發(fā)卡繞組加工效果的相關(guān)工具例如，激光焊接子系統(tǒng)包含可視系統(tǒng)來控制聚焦激光光束和銅質(zhì)發(fā)卡繞組的位置。

動(dòng)力總成組件焊接

由于光纖激光焊接過程中通常會(huì)產(chǎn)生飛濺，因此長期以來，汽車動(dòng)力總成耦合組件焊接一直是光纖激光器的一大難點(diǎn)領(lǐng)域。飛濺污染是動(dòng)力總成齒輪或軸承表面特別不能容忍的。此外，飛濺一般伴隨有焊接孔隙（因?yàn)轱w濺的材料可能會(huì)留下空隙或切口），會(huì)影響焊接質(zhì)量、強(qiáng)度和一致性。

相干公司采用 CleanWeld 凈焊技術(shù)證明采用光纖激光器已可消除大部分飛濺問題。具體改進(jìn)措施包括優(yōu)化多個(gè)加工因素（包括激光功率和供氣噴嘴），其中關(guān)鍵因素來自 于傳輸光纖的正確選擇。尤其是改變聚焦光束橫截面單一圓形光斑可從根本上減少熔池內(nèi)的紊流狀況，進(jìn)而減少飛濺。已有焊接樣品可證明經(jīng)過優(yōu)化的光纖激光器焊接工藝的質(zhì)量。

圖 3 顯示在部件尺寸準(zhǔn)確時(shí)，焊接接縫較窄（寬度小于 1 mm） （例如零空隙）。這樣可以在更大程度上減少受熱影響的區(qū)域和 變形。根部寬度大于 0.3 mm時(shí)與 CO2 激光器焊接效果近似。然而，由于部件存在誤差，一些動(dòng)力總成焊接應(yīng)用需要填補(bǔ)空隙。 通過智能調(diào)整光學(xué)設(shè)置，采用飛濺和孔隙率極小的穩(wěn)定焊接可以填補(bǔ)（無需填充焊絲）0.3 mm 以下的空隙（如圖 4 所示）。

除了消除飛濺之外，在這種情況下使用的光纖激光器焊接參數(shù)還可以提高加工速度。事實(shí)上，利用此技術(shù)的一位汽車供應(yīng)商表示，與以前的光纖激光器工藝相比，他們的產(chǎn)量增加 了 20%。

汽車掛件焊接

汽車掛件通常采用鋁制材質(zhì)，進(jìn)而增加激光焊接的難度。 特別是在焊接的過程中，鋁通常會(huì)因損失合金元素而有可能產(chǎn) 生“熱裂”。 因此，需要向熔池中補(bǔ)充材料（一般是填充焊絲）。此外，因?yàn)轱w濺產(chǎn)生的污染物會(huì)進(jìn)入掛件（例如車門）中，因此有時(shí)會(huì)引起掛件出現(xiàn)問題。例如，一位制造商報(bào)告稱飛濺材料進(jìn)入門中并阻塞了排水孔。

針對(duì)這一問題，CleanWeld 凈焊技術(shù)在優(yōu)化了激光的能量分布。經(jīng)過優(yōu)化的光束形狀可預(yù)先或在后期對(duì)部件進(jìn)行加熱，避免因部件快 速冷卻而導(dǎo)致問題。 此外，這一解決方案還可以消除飛濺，并且無需填充焊絲。對(duì)激光功率分布做出細(xì)微調(diào)整之后的焊接效果如圖 5 所示。部件 A 和 B 顯示，通過調(diào)整光束強(qiáng)度橫截面，不僅可以控制焊接深度，而且能保持焊接寬度的一致性。

鍍鋅鋼板的零間隙焊接

鍍鋅鋼板是另外一種在汽車掛件以及車身中廣泛應(yīng)用的材料。由于這種材料在吸收激光能量時(shí)，較易揮發(fā)的鋅會(huì)首先氣化，因此零間隙焊接是焊接鍍鋅鋼板的一大難題。 焊接過程中產(chǎn)生的氣壓會(huì)使液態(tài)金屬噴射，不僅導(dǎo)致焊縫不一致，隨后還會(huì)產(chǎn)生需要清除的飛濺物。這個(gè)問題的處理方法有兩種，包括清理材料上缺陷，或者在板材之間添加墊片，從而留出足夠的空間（大約 0.1 - 0.5 mm），讓汽化鋅能夠以受控的方式排放到匙孔側(cè)面，而非頂部。 但這種方法依然存在缺點(diǎn)。

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明，CleanWeld 凈焊技術(shù)不必在板材之間留出空隙就能焊接鍍鋅鋼板，大量激光功率再一次從光束中心散發(fā)到邊緣。和焊接鋁材相似，CleanWeld 凈焊技術(shù)會(huì)對(duì)材料實(shí)施預(yù)加熱和后續(xù)加熱，同時(shí)可減少匙孔中心的壓力。這使得鋅氣體更易通過中心排出，而不會(huì)產(chǎn)生任何飛濺， 即使零件間無間隙地夾在一起時(shí)也是如此。然而，值得注意的是，這種功率分布具有對(duì)稱性，此外，由于環(huán)形光束是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，所以無需跟隨焊縫的方向調(diào)整光束方向。而在弧形或其他形狀的部件上焊接時(shí)，焊縫的方向變化往往較為顯著。因此， CleanWeld 可利用掃描振鏡頭大幅簡化加工過程。

不銹鋼型材焊接

不銹鋼管是通過將扁平鋼帶的橫截面鍛成圓形，然后對(duì)對(duì)接位置進(jìn)行焊接來形成閉合管材。焊縫形狀、尺寸精度以及材料特征將能否對(duì)部件進(jìn)行后續(xù)制造產(chǎn)生影響（例如折彎和折?。?， 因此對(duì)焊接質(zhì)量的要求非?？量?，尤其在汽車應(yīng)用中。

長期以來，型材焊接一直采用 CO2 激光器，至今仍以此作 為加工標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)?CO2 激光器可以實(shí)現(xiàn)卓越的焊縫質(zhì)量以及較高的進(jìn)給速率。盡管制造商希望轉(zhuǎn)而采用光纖激光器，借此降低經(jīng)營成本，但光纖激光器在生產(chǎn)效率方面一直無法達(dá)到預(yù)期效果。 飛濺問題是傳統(tǒng)光纖激光器在型材焊接中產(chǎn)生的問題之一。

飛濺會(huì)造成大量材料的損耗和側(cè)切口，降低焊縫的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)降低焊接質(zhì)量和焊縫的一致性。之所以存在這種問題，原因通常在于不銹鋼對(duì)近紅外光纖激光器波長輸出的吸收要強(qiáng)于更長的 CO2 激光波長。這種高吸收率導(dǎo)致材料加熱更快，此外，這種加熱局限在較小區(qū)域內(nèi)，這兩方面因素致使熔池中的材料變得紊亂。

采用相干公司 FL-ARM 可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器或其他光束整形傳輸光纖來改變標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器的功率分布來降低熔池的不穩(wěn)定狀況。這使得焊接加工的動(dòng)態(tài)與傳導(dǎo)焊接中的穩(wěn)定條件類似，從而提高匙孔（深熔）焊接的縱深比。更重要的是， FL-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器可滿足如今市場需求（一 般是 8 米 / 分鐘到 24-30 米 / 分鐘之間，具體取決于厚度和材料） 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的加工效果。

總結(jié)

總之，隨著光纖激光器技術(shù)愈加成熟，以及對(duì)工件上真正起作用的激光能量影響因素加深了解并予以控制，光纖激光器焊接效果改進(jìn)指日可待。相干公司最新推出的 CleanWeld 凈焊技術(shù)已經(jīng)證實(shí)，通過更有效地利用現(xiàn)有光纖激光器，完全可以顯著改善焊縫的幾何結(jié)構(gòu)、飛濺、裂紋和孔隙率問題以及工藝的穩(wěn)定性。