鍍鋅鋼板焊接

各種類型的鍍鋅鋼板被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)以及其它存在防腐要求的應(yīng)用中，例如農(nóng)業(yè)設(shè)備和建筑物。但在過(guò)去，因?yàn)殇\的沸點(diǎn)比鋼低得多，鍍鋅鋼板的零間隙搭接焊對(duì)激光焊接提出了挑戰(zhàn)。結(jié)果，當(dāng)施加激光能量時(shí)，鋅會(huì)率先氣化，所產(chǎn)生的氣壓足以將熔融狀態(tài)的鋼吹散，導(dǎo)致焊縫不均，并形成需要隨后清洗的飛濺物。因?yàn)槿廴诓⒈３趾附尤劭姿璧募す夤β蕰?huì)使熔池湍動(dòng)而不穩(wěn)定，所以依靠單一焦斑是難以控制這一動(dòng)態(tài)行為的。

通過(guò)使材料凹陷產(chǎn)生間隙，或者在金屬板之間添加墊片，可緩解這一問(wèn)題，從而有足夠的空間(約0.1～0.5mm)使氣化的鋅以受控方式向匙孔的四周而非頂部排出。這種方法的一個(gè)主要難點(diǎn)在于當(dāng)遇到具有復(fù)雜三維形狀的部件(如車(chē)門(mén))時(shí)，很難保持薄板之間形成均勻的小間隙。用固定裝置將部件緊緊夾在一起就容易得多了。

鋁焊接

如今，電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到消費(fèi)者的歡迎，這些車(chē)輛所使用的鋰電池外殼需要進(jìn)行焊接，因此衍生出越來(lái)越多的鋁焊接需求。具體而言，電池制造商必須將頂部焊接到殼體上，以便在構(gòu)件的使用壽命期內(nèi)保持氣密性。由于水會(huì)與鋰發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，產(chǎn)生氣體和壓力，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，而這種密封可防止水分滲透，因而至關(guān)重要。此外，金屬顆粒(以及水分)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)漏電流，使電池發(fā)生短路，因此，避免焊接過(guò)程發(fā)生飛濺顯得十分重要。最后，焊縫必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受粗糙的處理，甚至是碰撞的沖擊。

由于電池壁很薄(<1mm)，鋁電池殼的密封傳統(tǒng)上采用激光傳導(dǎo)焊接完成。但使用傳導(dǎo)焊接很難達(dá)到足夠的熔融深度以產(chǎn)生足夠牢固的焊縫，并使孔隙率足夠低以防止水分侵入。但是，如果采用更高的激光功率來(lái)實(shí)現(xiàn)更深的熔透(熔孔)焊縫，會(huì)有殼體變形的風(fēng)險(xiǎn)，并且總是會(huì)引起一定程度的飛濺。

FL-ARM技術(shù)

過(guò)去一些用于消除光纖激光器加工某些特定材料時(shí)產(chǎn)生飛濺問(wèn)題的方法包括：在壓力遠(yuǎn)低于大氣壓(在毫巴范圍內(nèi))的工藝腔室內(nèi)進(jìn)行激光焊接，或大幅降低進(jìn)給速率。但是，這些方法最終會(huì)降低加工能力，或造成消除光纖激光器固有優(yōu)勢(shì)的實(shí)際困難。直到最近，還沒(méi)有一種技術(shù)能以非常精確地控制熔池動(dòng)態(tài)的方式傳遞光纖激光器能量，支持目前已能達(dá)到的量產(chǎn)加工能力，并且簡(jiǎn)便易行。

圖1：簡(jiǎn)化的 ARM 光纖示意圖以及聚焦激光光斑中可能出現(xiàn)的五種基本功率模式。

在芬蘭坦佩雷市的相干( Coherent)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，一項(xiàng)深入開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)驗(yàn)證了一種新的解決方案，可實(shí)現(xiàn)無(wú)飛濺的高速金屬加工，它是通過(guò)修改工件上激光焦斑的強(qiáng)度分布，使其顯著偏離傳統(tǒng)的單峰高斯分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這項(xiàng)研究表明，由被另一個(gè)同心激光環(huán)環(huán)繞的中心高斯分布焦斑組成的光束，通常能成為一種有效的方法。

利用相干公司芬蘭工廠(前 Corelase公司)開(kāi)發(fā)出的 FL-ARM 環(huán)形激光合束器和傳輸光纖，使這種不同尋常的光纖激光聚焦光斑配置得以成為現(xiàn)實(shí)。該光纖采用傳統(tǒng)的圓形纖芯，外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。

FL-ARM 可整合到四個(gè)獨(dú)立的光纖激光器模塊中，提供的最大總輸出功率可達(dá)到 2.5到10kW。無(wú)論具體配置如何，在所有情況下，整體光束分布(即中心和環(huán)形部分功率)可以根據(jù)需要獨(dú)立調(diào)整。此外，中心和環(huán)形光束分別采用獨(dú)立的閉環(huán)功率控制系統(tǒng)，這也確保了整體功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)(標(biāo)稱最大輸出功率的 1%到100%)的出色穩(wěn)定性。纖芯和環(huán)形光束甚至可以獨(dú)立調(diào)制，重復(fù)頻率可高達(dá) 5kHz。

在這種布局中(圖1)，內(nèi)部光束與外部光束之間的功率比實(shí)際上存在無(wú)限數(shù)量的組合。盡管如此，所有這些組合都大致上可分為幾種基礎(chǔ)配置。這些基本模式可進(jìn)行調(diào)整，以提供廣泛的加工特性，從而以最優(yōu)方式滿足各種應(yīng)用的需求。

應(yīng)用結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)整的光束能在中心和環(huán)形位置輸出功率，而非形成傳統(tǒng)的單一激光光斑。焊接主要由環(huán)形光斑完成，其中焊接工藝又分為兩個(gè)步驟。首先，外環(huán)的前緣將工件預(yù)熱，而進(jìn)行焊接所需的額外能量則由環(huán)形光斑的后緣提供。通過(guò)將所提供的激光能量分成兩部分并將其分散到更大面積的區(qū)域，便可產(chǎn)生更大的熔池，由此降低材料中的溫度梯度。所有這些特點(diǎn)都有助于減少飛濺(圖2)。

圖2：橫截面顯示了1.25mm 厚鍍鋅鋼板上的焊縫，使用纖維激光器，板材間無(wú)間隙，進(jìn)給速率為3.3 米/分鐘，傳統(tǒng)激光聚焦形成的焊縫存在空隙(a)，而采用FL-ARM 技術(shù)則可形成出色的無(wú)孔隙均勻焊縫(b)。

同時(shí)，中心焦斑能夠維持深熔孔(在比邊緣更低的溫度下)，以方便將熔融材料推向側(cè)面。這樣使得氣化的鋅很容易地通過(guò)中心排出，即使零件采用零間隙的方式夾持在一起時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生任何飛濺。

此外，由于環(huán)形光束是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，所以無(wú)需跟隨焊縫的方向來(lái)調(diào)整光束方向，而在弧形或其他形狀的工件上，焊縫的方向變化往往較為顯著。因此，這種方法可以顯著簡(jiǎn)化工藝流程。

在這種應(yīng)用中，通過(guò)采用 FL-ARM 激光器成功進(jìn)行深熔焊接，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)材料變形的高強(qiáng)度焊接。同樣，其中心和環(huán)形部分的光束功率均可配置。

圖3： 兩個(gè)1.6mm 厚的5000 系列鋁部件堆焊焊縫橫截面顯示深熔透，無(wú)孔隙或飛濺。

方法是有效的，因?yàn)榄h(huán)形光束的前緣將鋁的溫度提升到足夠高，以增加其在激光波長(zhǎng)上的吸收能力。隨后，光束的中心產(chǎn)生深熔孔，由于經(jīng)過(guò)預(yù)熱，熔孔非常穩(wěn)定。環(huán)形光束的后緣對(duì)熔池提供充分支撐，讓氣體逸出。由于熔孔穩(wěn)定，材料不易快速凝固，促使整個(gè)工藝更加一致，工藝窗口也更大。最終結(jié)果(圖3)是實(shí)現(xiàn)均勻一致的材料滲透和更高質(zhì)量的無(wú)氣孔、無(wú)飛濺焊縫。

當(dāng)前，盡管光纖激光器已廣泛用于多種工業(yè)加工領(lǐng)域，然而，沒(méi)有哪種單一產(chǎn)品能夠成為所有使用情況的最優(yōu)選擇。這就是Coherent-Rofin 等激光器制造商開(kāi)發(fā)出大量不同光纖激光器的原因所在。然后在此基礎(chǔ)之上，公司將這些產(chǎn)品與豐富的工藝知識(shí)相結(jié)合，以擴(kuò)大其效用，提供更好的結(jié)果，例如減少飛濺、提高加工能力并降低用戶的生產(chǎn)成本。