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(lái)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(guò)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(shì)。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)進(jìn)行優(yōu)化在熔池動(dòng)態(tài)對(duì)流過(guò)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(guò)多種方法來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)保護(hù)光學(xué)鏡片，吹走焊接過(guò)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(guò)程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過(guò)程中不出問題。尤為重要的是，鋰電池需要此密封來(lái)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(wú)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)的絞合導(dǎo)線。

這個(gè)過(guò)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(lái)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(guò)快速掃描（擺動(dòng)）光斑的位置來(lái)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(shì)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(guò)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(lái)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(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生飛濺，因此長(zhǎng)期以來(lái)，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(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)中心排出，而不會(huì)產(chǎn)生任何飛濺， 即使零件間無(wú)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(wú)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(jiǎn)化加工過(guò)程。

不銹鋼型材焊接

不銹鋼管是通過(guò)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(lái)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)量的要求非常苛刻，尤其在汽車應(yīng)用中。

長(zhǎng)期以來(lái)，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(yíng)成本，但光纖激光器在生產(chǎn)效率方面一直無(wú)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(zhǎng)輸出的吸收要強(qiáng)于更長(zhǎng)的 CO2 激光波長(zhǎng)。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(lái)改變標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器的功率分布來(lái)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(chǎng)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(guò)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。