近年來，激光焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防、船舶、航空航天及醫(yī)療等行業(yè)，并且應(yīng)用范圍還在不斷拓寬。工業(yè)界對激光焊接的質(zhì)量要求越來越高，激光焊接在大功率、高速及高反材料焊接等條件下極易產(chǎn)生焊接飛濺。有效地控制激光焊接過程的飛濺缺陷，對于提升激光焊接質(zhì)量、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。點環(huán)光作為一種新型激光光束模式有望成為解決上述問題的有效手段，成為常規(guī)激光焊接的有效補充。點環(huán)最開始由美國相干公司大概在14年左右開發(fā)出有應(yīng)用，然后在19年左右開始有一定量的進入市場，20年左右開始進入鋰電行業(yè)，目前動力電池頂蓋滿焊正在大量采用這種新型激光加工技術(shù)進行焊接

點環(huán)激光實質(zhì)上是可調(diào)環(huán)模激光，他可以實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)激光的獨立輸出。但是由于專利的問題，不同廠家也叫不同的名字。例如相干的ARM,IPG的AMB,通快的BrightLine Weld，寶辰星的MFMC等。如下所示是點環(huán)激光的光束形式和定義（圖片來源IPG）

目前主流激光公司廠家推出點環(huán)激光設(shè)備主要通過以下方式實現(xiàn)點環(huán)光束模式的輸出：同軸單光纖直接輸出、激光器內(nèi)置光纖耦合器輸出、通過激光器內(nèi)置集成光閘等。如TRUMPF的BrightLine weld就是采用“Bright Line”光纖為二合一激光光纖（LLK），能將激光功率靈活分配到二合一光纖的纖芯和環(huán)路，內(nèi)層纖芯產(chǎn)生高質(zhì)量的點光束；外層環(huán)芯產(chǎn)生輔助環(huán)形光，根據(jù)實際需要調(diào)整總激光功率及點環(huán)功率配比。兩種點環(huán)光纖典型纖徑分別為內(nèi)層纖芯芯徑100μm，外層環(huán)芯芯徑為400μm及內(nèi)層纖芯芯徑50μm，外層環(huán)芯芯徑為200μm。當然隨著科學技術(shù)的進步，現(xiàn)在也演變到14-100μm，50-150μm，100-300μm等。

點環(huán)配比對鋁合金激光焊接焊縫成形影響規(guī)律

一、總功率固定不同點環(huán)功率配比下的焊縫成形

通過測量焊縫上表面粗糙度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)光功率占比的逐步增加，焊縫上表面粗糙度顯著下降，純環(huán)光參數(shù)焊縫上表面相比純點光焊縫，粗糙度下降了近 70%。

不同點環(huán)功率配比點環(huán)激光焊接接頭縱截面表示在常規(guī)激光焊接條件下，焊縫上表面存在明顯未填充焊接缺陷，沿焊接方向高低起伏較大；而隨著環(huán)光加入，焊縫上表面逐漸平整，同時可觀察到焊縫熔深隨環(huán)光占比的增加而明顯減小。

橫截面的圖形則表達了常規(guī)激光深熔焊接焊縫呈現(xiàn)典型的上寬下窄特征，而焊縫截面出現(xiàn)未填充現(xiàn)象說明在焊接過程中有較多熔融金屬液滴飛出熔池，形成焊接飛濺。環(huán)形激光加入后，焊縫橫截面上部未出現(xiàn)未填充現(xiàn)象，焊縫上部更為均勻，焊縫上部均勻性的提升也與上一節(jié)焊縫表面質(zhì)量的提高結(jié)果一致。

值得一提的是：在點環(huán)功率配比為 66.7%點光（2kW 點光+1kW環(huán)光）50%點光（1.5kW點光+1.5kW環(huán)光）下，焊縫上部由寬到窄并未像常規(guī)激光焊接平滑過渡，而是存在明顯的加寬轉(zhuǎn)折點，即焊縫上部相比常規(guī)激光焊接進一步的加寬，整體呈“沙漏狀”形貌。當環(huán)光功率超過點光功率時，焊縫形貌開始過渡到環(huán)形激光焊縫形貌。在點環(huán)功率配比為33.3%點光（1kW點光+2kW環(huán)光）時，焊縫兩側(cè)逐漸傾斜，焊縫底部呈現(xiàn)與常規(guī)激光不同的兩側(cè)非平行焊縫。而在純環(huán)光下，焊縫形貌呈碗狀，已經(jīng)失去了常規(guī)激光深熔焊接的基本特征。

二、點光功率固定下點環(huán)能量配比對焊縫成形影響規(guī)律

根據(jù)不同點環(huán)配比參數(shù)下焊縫上表面的粗糙度 Rz值圖的結(jié)果，環(huán)形激光加入起到降低焊縫上表面粗糙度的作用，有助于獲得成形均勻性更優(yōu)的焊縫上表面。在環(huán)光功率250W-750W參數(shù)下，焊縫上表面粗糙度有效降低，改善程度達到20%-30%。當環(huán)光功率進一步增加至1000W及1500W時，焊縫上表面粗糙度再次增加，改善效果降低。表面粗糙度的變化規(guī)律與前述焊縫宏觀形貌變化規(guī)律相吻合。從焊縫上表面形貌觀測結(jié)果來看，點光功率占比80%-90%間鋁合金點環(huán)激光焊接焊縫獲得了較好的焊縫成形效果。

點光功率固定不同點環(huán)功率配比下的焊縫縱截面結(jié)果表面，在焊縫縱截面中焊縫在縱向上深度基本保持穩(wěn)定，因此認定用橫截面數(shù)據(jù)提取的焊縫尺寸如熔寬、熔深等信息具有可信度。此外，在常規(guī)激光焊接及環(huán)光功率 500W、1000W 條件下焊縫縱截面出現(xiàn)了明顯的氣孔缺陷，未觀察到點環(huán)光激光焊接對焊縫氣孔明顯的改善作用。

橫截面的金相實驗結(jié)果說明環(huán)光功率0-500W參數(shù)下，焊縫上部出現(xiàn)咬邊、未填充等缺陷，以上缺陷的出現(xiàn)說明在焊接過程中出現(xiàn)了較多的質(zhì)量損失，很可能導致焊縫接頭性能下降，(a)-(c)所示。當環(huán)光功率過大（1000W-1500W），焊縫存在氣孔等缺陷，(e)-(f)所示。在 750W環(huán)光功率下，焊縫無明顯缺陷，橫截面成形良好。通過焊縫橫截面尺寸測定發(fā)現(xiàn)，當環(huán)光功率在 1000W 內(nèi)時，焊縫熔深無明顯差異；焊縫熔寬隨環(huán)光功率的提升而逐步增加，最大熔寬增幅可達到 50%

鋁合金點環(huán)激光焊接飛濺抑制機理

一、常規(guī)激光溫度場及流場分布

如圖為純點光功率3kW，焊接速度 2m/min 工藝參數(shù)下采用數(shù)值模擬技術(shù)獲取的焊接溫度場、小孔開口直徑及小孔深度等信息。其中圖中所示紅色區(qū)域為高于5083鋁合金熔點（847K）區(qū)域，即為熔池區(qū)域。圖中白色區(qū)域為高于 5083 鋁合金沸點（2720K）區(qū)域，即為該時刻下匙孔表面入口。鋁合金激光焊接表面熔池整體呈橢球狀，匙孔前部熔池表面較為狹窄，長度僅有約 0.47mm；而匙孔后部熔池的液態(tài)金屬無激光束直接作用，熔池表面較寬，熔池后部長度約為3.85mm。因此在匙孔前部區(qū)域存在較大的溫度梯度，約為 750k/mm；而在熔池后部，溫度梯度較為平緩，約為400K/mm。

圖中紅色區(qū)域溫度高于5083鋁合金熔點（847K）即為熔池區(qū)域。在焊接速度方向上，熔池后部液態(tài)金屬流動區(qū)域較大，有利于液態(tài)金屬的流動模式更為平穩(wěn)；而垂直焊接速度方向，匙孔兩側(cè)液態(tài)金屬流動區(qū)域十分狹窄，在液態(tài)金屬從匙孔前部流動至后部熔池過程中，匙孔周圍區(qū)域液態(tài)金屬流動波動更為劇烈，焊接飛濺更容易生成。上述熔池液態(tài)金屬流動特征導致在中低速激光焊接中，大部分焊接飛濺缺陷生成于匙孔前部而非匙孔后部。

常規(guī)激光焊接過程中匙孔存在深度及入口直徑上存在相當劇烈的波動。匙孔深度的突變說明在焊接過程中匙孔出現(xiàn)了多次坍塌現(xiàn)象，匙孔閉合導致匙孔底部無法吸收激光能量，激光束集中于匙孔坍塌處，坍塌處液態(tài)金屬蒸發(fā)使匙孔再次打開，使得激光能量再次集中于匙孔底部。常規(guī)激光焊接匙孔不穩(wěn)定性使焊接飛濺、氣孔等缺陷傾向增加，為探究匙孔不穩(wěn)定性原因，提取了匙孔縱截面流場信息，如下圖所示。

激光焊接過程中，匙孔后部熔融液態(tài)金屬存在順時針方向的渦流，在渦流強烈作用下，匙孔后部液態(tài)金屬朝匙孔前壁方向橫向流動，形成匙孔后壁駝峰凸起。隨著激光束移動匙孔前方金屬熔化并蒸發(fā)，在匙孔前壁處也會形成駝峰凸起，而在匙孔前壁區(qū)域，液態(tài)金屬流動方向為向下流動，在渦流作用下前壁駝峰凸起逐漸向下移動。由于匙孔壁凸起的形成，激光束能量不再集中于匙孔底部而是集中于匙孔壁上的駝峰凸起處，在激光能量作用下，匙孔壁凸起液態(tài)金屬迅速蒸發(fā)汽化。導致在熔池流動更加劇烈，匙孔入口較為狹窄。當匙孔壁駝峰凸起接觸時便形成熔融金屬液橋，導致匙孔發(fā)生閉合，導致激光束無法作用于匙孔底部。

總的來說常規(guī)激光焊接過程中熔池定向流動導致匙孔壁生成駝峰，由于5083鋁合金本身材料特性及匙孔毛細不穩(wěn)定性，匙孔更容易發(fā)生坍塌閉合現(xiàn)象。常規(guī)激光焊接匙孔的不穩(wěn)定性及狹窄的匙孔入口是導致劇烈焊接飛濺現(xiàn)象的重要原因。

二、飛濺機理

圖中紅色區(qū)域部分代表該區(qū)域液態(tài)金屬溫度接近5083鋁合金沸點（2720K）。在匙孔穩(wěn)定時刻，熔池后部存在順時針方向液態(tài)金屬渦流；匙孔前部液態(tài)金屬呈向下流動狀態(tài)，匙孔前壁駝峰在流場作用下逐漸下沉至匙孔底部，如圖 (a)所示。匙孔底部及匙孔壁駝峰區(qū)域液態(tài)金屬溫度已接近5083鋁合金沸點，說明激光束能量集中作用于以上區(qū)域。當匙孔坍塌，激光束集中作用于匙孔閉合區(qū)域，該區(qū)域液態(tài)金屬溫度急劇升高至材料沸點，發(fā)生蒸發(fā)汽化。此時，熔池流動發(fā)生改變，匙孔前壁液態(tài)金屬流動方向由向下流動變?yōu)橄蛏狭鲃?；而熔池后部的液態(tài)金屬渦流基本消失，熔池后部表面的液態(tài)金屬也成向上流動趨勢，如圖(b)所示。隨著匙孔頂部前后液態(tài)金屬受到重定向流動及逸出金屬蒸氣作用，動量不斷增大。當液態(tài)金屬動量的豎直分量足以克服熔池表面張力時，液態(tài)金屬脫離表面凸起形成焊接飛濺，如圖(c)所示。而從橫截面上看，匙孔兩側(cè)的液態(tài)金屬也呈現(xiàn)向上流動的趨勢，如圖(d)所示。隨著匙孔坍塌區(qū)域液態(tài)金屬的蒸發(fā)汽化，閉合的匙孔再次被打開，激光束重新作用于匙孔底部。熔池后部重新呈順時針渦流流動趨勢，如此往復(fù)。

常規(guī)激光焊接飛濺形成過程流程及溫度場分布 

(a)匙孔穩(wěn)定狀態(tài)；(b)匙孔坍塌；(c)焊接飛濺產(chǎn)生；(d)匙孔橫截面

三、點環(huán)激光焊接熔池行為及飛濺抑制機理

通過對比常規(guī)激光焊接與環(huán)光功率750W點環(huán)光激光焊接的表面溫度場分布，在環(huán)光功率750W下，熔池后部564K-644K溫度區(qū)間面積更大，整體溫度梯度明顯較常規(guī)激光更為平緩，如圖所示。研究指出激光焊接后部熔池更大的相近溫度區(qū)間面積意味著匙孔與固體金屬之間的熔池區(qū)域更寬，促進了液態(tài)金屬更為平穩(wěn)順利地流動，熔池表面更為穩(wěn)定，有利于抑制焊接飛濺的形成。

不同激光設(shè)置下匙孔特征動態(tài)(a)匙孔深度；(b)匙孔入口直徑

在750W環(huán)光功率下，匙孔深度波動控制在了1.5mm內(nèi)，入口直徑大小波動不超過200nm。統(tǒng)計結(jié)果表明，在環(huán)光功率750W下，匙孔尺寸在深度、入口直徑上的波動明顯小于常規(guī)激光焊接，穩(wěn)定性得到了顯著的提高。匙孔較好的穩(wěn)定性是有效抑制焊接飛濺現(xiàn)象產(chǎn)生的有力保證。

下圖為常規(guī)激光與點環(huán)激光焊接的流場對比，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)激光焊接熔池表面產(chǎn)生凸起時，凸起內(nèi)的液態(tài)金屬整體只有向上流動的趨勢，并未出現(xiàn)點環(huán)光激光焊接中的液態(tài)金屬回流現(xiàn)象，導致液態(tài)金屬脫離熔池最終產(chǎn)生焊接飛濺，如圖 (a)(b)所示。在匙孔橫截面的流場觀察中，同樣在點環(huán)光激光焊接條件下觀察到了熔池表面的液態(tài)金屬渦流；而在常規(guī)激光焊接條件下，液態(tài)金屬只存在向上的流動趨勢，如圖(c)(d)所示?？梢钥闯?，點環(huán)光激光焊接飛濺抑制作用最直觀體現(xiàn)在熔池表面凸起處液態(tài)金屬渦流，將凸起處液態(tài)金屬回拽至熔池中，而兩種激光作用下的液態(tài)金屬流動區(qū)別很可能與前文匙孔動態(tài)等結(jié)果不同有關(guān)。

常規(guī)激光與點環(huán)光激光焊接熔池流動對比 

(a)點環(huán)光縱截面流場；(b)常規(guī)激光縱截面流場 

(c)點環(huán)光橫截面流場；(d)常規(guī)激光縱截面流場 

熔池表面凸起的形成是產(chǎn)生焊接飛濺的前提。凸起處液態(tài)金屬的動量主要來源于以下三點：匙孔尺寸的持續(xù)波動，匙孔與固液界面距離的改變增加液態(tài)金屬動量；第二、駝峰和匙孔閉合處劇烈的液態(tài)金屬蒸發(fā)，該處液態(tài)金屬重新定向后向上流動，推動表面熔池形成凸起。第三、金屬蒸氣從匙孔逸出過程中對匙孔壁的沖擊同樣帶來了其動量增加。

下圖為點環(huán)光激光焊接抑制機理示意圖。在點環(huán)光激光焊接條件下，匙孔波動劇烈程度顯著下降，減小了液態(tài)金屬動量。匙孔入口的擴大使得蒸汽逸出過程中，液態(tài)金屬受其沖擊方向的改變降低了其豎直分量大小；在以上兩點作用下增加了液態(tài)金屬的逃逸難度。此外匙孔穩(wěn)定性的明顯改善降低了匙孔閉合頻率，進一步降低了點環(huán)激光焊接的焊接飛濺數(shù)量。最終達到了抑制焊接飛濺、改善焊接表面成形質(zhì)量的作用。

點環(huán)光激光焊接抑制機理示意圖 

(a)常規(guī)激光焊接；(b)點環(huán)光激光焊接