光束整形是激光焊接的未来吗？

摘要：与替代焊接技术相比，由于具有众多性能和成本优势，工业激光焊接持续快速增长。随着激光焊接进入现有产品并为金属制造商提供新的功能和应用，终端市场正在经历前所未有的变化。例如，电气化和提高燃油经济性的需求正在推动汽车制造商在设计、装配和焊接方法方面进行创新。光纤激光

全光纤技术为各种工业焊接工艺提供即时光束整形，无需更换大量光学元件和激光头，从而提高生产率和质量。

与替代焊接技术相比，由于具有众多性能和成本优势，工业激光焊接持续快速增长。随着激光焊接进入现有产品并为金属制造商提供新的功能和应用，终端市场正在经历前所未有的变化。例如，电气化和提高燃油经济性的需求正在推动汽车制造商在设计、装配和焊接方法方面进行创新。光纤激光加工是解决这些制造机会的关键技术之一。光纤激光器与智能工厂自动化相结合，为不断增长的焊接市场提供高度可靠、经济高效的解决方案。与传统焊接工艺相比，激光可提供显着更快的吞吐量，并具有精确、低热量输入的焊接，从而提高零件质量和更高的生产率。光纤激光器的高功率和出色的光束质量可实现“小孔焊接”，其特点是在快速行进速度下实现高纵横比熔深剖面。除了提高生产率之外，小孔激光焊接的窄熔化区和高速度还可以产生低变形和最小的热影响区。使用较大的激光光斑尺寸（具有较低的功率密度）会导致较浅的“传导焊接”，这有利于美观的焊接并最大限度地减少后处理步骤的需要。在这两种焊接模式之间转换并优化不同材料和接头设计的焊接性能需要工件具有不同的光束特性。

Laser & Electron Beam Processing

光束整形优化

虽然一些小众应用使用光束整形光学来改进激光焊接工艺几十年来，工业激光器提供了固定的输出光束特性。针对每种焊接应用优化这种固定光束轮廓的尝试主要限于调整加工头的光学放大倍数。虽然一些小众的应用使用光束整形光学来改进激光焊接工艺，例如用于缓解锌蒸气的双光斑楔块或用于沉积工艺中环形光束形状的轴锥镜，但这些传统方法增加了工艺头的成本和复杂性，并且没有被广泛使用。最近的研究表明，由环形或“环形”包围的中心激光光斑组成的光纤激光束形状可以显着提高小孔焊缝的稳定性。这种光束形状可以减少飞溅和孔隙率，从而提高接头强度和熔合区的均匀性。对于传导焊接，对于相同的焊接轮廓，高强度环形形状比传统的放大或失焦平顶光束的生产效率要高得多。无论是小孔还是传导模式，最佳光束尺寸和形状取决于所焊接接头的合金、厚度和性能标准。

光纤激光器的突破

为了避免自由空间光学方法的缺点，nLIGHT Corona 光纤激光器采用全光纤技术，可以直接从馈送光纤快速调整光纤激光束的尺寸和形状。1这些光纤激光器提供各种光束形状和尺寸，并允许快速、动态光束调谐，而不会损失功率、稳定性或可靠性。Corona 馈送光纤分为引导激光束的同心区域，可适应广泛的应用。在一种配置中，中心纤芯直径为 100 µm 的馈电光纤被两个直径分别为 200 和 300 µm 的环形引导区域包围（图 1）。通过改变这三个引导区域之间激光功率的分配来调整光束直径和形状，将光束直径从大约 100 调整到 350 µm（二阶矩定义），相应的光束参数积 (BPP) 为范围为 3 至 18 mm-mrad。

该技术前所未有的关键特征是光束形状的调节是在光纤内完成的，无需自由空间光学器件，从而保持了光纤激光器的所有性能、稳定性、效率和可靠性优势。与光束组合方法不同的是，光束组合方法将独立的激光源发射到不同的引导区域，因此需要在大多数光束设置中不可用的过量激光功率。Corona 技术提供了多种光束形状，包括平顶光束、不同尺寸和厚度的环形光束以及由具有不同能量分配的环形光束包围的平顶光束。尽管可以在最小和最大光束尺寸之间连续调整光束形状，但工业应用通常首选固定数量的设置（或“索引”值）。这些光纤激光器的另一个优点是光束调谐非常快，从最小直径到最大直径的过渡时间为

减少钢焊接的飞溅

激光焊接一般分为两种操作模式：匙孔模式和传导模式。在匙孔焊接过程中，激光束具有足够高的功率密度以蒸发金属。在焊接过程开始的最初几毫秒内，激光能量熔化并蒸发金属表面的一小部分。金属蒸气迅速膨胀并从表面逸出。这种蒸气喷射会在熔池的液体表面上产生反冲力，从而产生凹陷，使激光束能够更深入地进入金属，以熔化和蒸发更多的基材。进一步的金属汽化增强了蒸发反冲力，从而将更多的液态金属推离激光束。这种熔化/蒸发过程持续进行，直到在金属表面形成又深又窄的圆柱形空腔。由于熔池表面可见小而深的开口，因此该空腔被称为“钥匙孔”。强烈的激光相互作用产生的连续逸出的金属蒸汽流使这个锁孔保持打开状态。小孔焊缝熔合区的熔深轮廓非常窄，具有高深宽比（深度/宽度）。为了产生具有恒定熔深的光滑焊接表面，蒸汽腔必须非常稳定。如果锁孔不稳定，则在激光焊接过程中可能会产生间歇性不连续性。当激光汽化努力保持锁孔打开时，表面张力和重力等力试图使狭窄蒸汽腔的液壁塌陷。当锁孔间歇性塌陷时，可能会出现气孔、飞溅和表面不规则等不连续性。

不幸的是，锁孔中的微小不稳定性可能会导致飞溅的产生（图 2）。当液池塌陷并关闭钥匙孔时，激光汽化重新打开腔体，从熔池中喷射出小液滴（飞溅）。焊接中碳钢和高碳钢时，飞溅的产生非常常见，并且使用标准加工技术很难避免（图 3）。中碳钢 (AISI 4140) 的焊接横截面表明，尽管存在飞溅，但对熔深轮廓没有显着影响。

虽然这种情况导致了良好的焊接，但飞溅仍然可能是产品或工艺的主要问题。例如，在动力系统焊接应用中，飞溅是不可接受的，因为最终产品中的金属颗粒会损坏组件。此外，焊接夹具上飞溅物的堆积可能会导致工艺影响、清洁夹具停机或昂贵的消耗工具。持续减少飞溅的最成功方法是提高锁孔稳定性并防止蒸汽腔塌陷。从历史上看，为了实现这一目标，用户尝试将过程移出焦点以产生具有更高斯形状的更大光束。这种方法通常有效，但对工艺间隙更敏感，并且大大降低了功率密度，从而降低了处理速度、穿透力或两者。另外，功率调制通过在焊接过程中振荡激光功率在提高小孔稳定性方面取得了一些成功。该技术适用于某些合金，但需要更高的峰值功率才能保持同等的平均功率、速度和穿透力，并且对工艺变化非常敏感。最近，光束振荡或摆动已被证明可以提高多种金属的小孔稳定性，但由于扫描频率和实际激光功率的限制，进行稳定小孔摆动焊接的最大线性行进速度相对较低。

然而，通过光纤激光束整形，用户可以将激光功率引导到需要打开锁孔的位置，而不会显着影响行进速度或穿透深度。中心光束周围的激光功率环可以加宽锁孔开口，以避免蒸汽腔塌陷（图 4）。对于钢焊接，中心梁提供主要穿透力，而添加的环形空间在匙孔顶部产生额外的汽化，以始终保持扩大的开口。对于板上焊珠焊接，可以在加工过程中增加环形空间中包含的激光功率部分（图 5）。在激光功率和速度恒定的情况下，焊缝宽度随着环空功率的增加而增加，并且焊缝横截面的深宽比也相应变化。对于前面讨论的相同中碳钢合金，电晕指数设置 5 和 6 显示出最低的飞溅产生量，同时实现了 4 毫米的目标渗透深度。

在进行中碳钢飞溅缓解的板上焊珠演示之后，使用标准激光束形状和优化的光束形状焊接了代表汽车动力总成的可交付零件（图 6）。从视频静态图像来看，两种光束形状产生了数量相当不同的“火花”（由小飞溅颗粒产生，这些飞溅颗粒在被压缩空气交叉射流推开时燃烧）。值得注意的是，使用优化梁焊接的接头没有产生火花。同样，在检查表面照片时，焊缝上和周围法兰上都没有积聚飞溅物，这表明周围工具的飞溅物污染极小。