光纖激光焊接技術(shù)最新進(jìn)展
2018-07-17   8797

光纖激光焊接繼續在可焊接的材料和應用方面不斷拓展。激光技術(shù)和光束傳輸器件領(lǐng)域的創(chuàng )新,正在克服激光焊接在過(guò)去所面臨的應用挑戰,例如焊接銅、異種材料、薄金屬箔或裝配不良的零件。

 

光纖激光器正在提供越來(lái)越多的光束特性、波長(cháng)、輸出功率和脈沖持續時(shí)間選擇。結合先進(jìn)的擺動(dòng)焊接技術(shù),光纖激光器已經(jīng)通過(guò)“改善與高反射率材料的耦合效果、改善熔池的凝固行為、消除缺陷、改善穿透深度控制以及補償裝配不良的零件”等進(jìn)步,大大緩解了過(guò)去面臨的應用挑戰。

此外,集成的全過(guò)程監測技術(shù),如相干成像技術(shù)(ICI)允許在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)收集大量信息,幫助制造商嚴格控制焊接質(zhì)量,提高生產(chǎn)率。這些驅動(dòng)型技術(shù)正在共同促進(jìn)無(wú)缺陷激光焊接技術(shù)在各行各業(yè)的先進(jìn)應用中快速采用。


標準焊接頭被設計成將準直的激光束聚焦到所需的光斑尺寸,并在光束傳輸過(guò)程中保持光束路徑呈靜態(tài),在焦平面上呈現一個(gè)靜態(tài)光斑。這種標準配置,導致每種設置僅限于面向特定的應用。相比之下,擺動(dòng)焊接頭在標準焊接頭內整合了掃描振鏡技術(shù)。通過(guò)用內部反射鏡來(lái)移動(dòng)光束,焦斑不再是靜態(tài)的,并且可以通過(guò)改變各種圖案的形狀(圖1a)、振幅和頻率來(lái)動(dòng)態(tài)地調節。光束速度Vc可以由擺動(dòng)頻率f和擺動(dòng)直徑D控制,Vc=π D f。

圖1:擺動(dòng)模式(a)和環(huán)形擺動(dòng)圖案(b)


提供最佳結果的頻率設置取決于光斑尺寸、擺動(dòng)直徑(以及因此產(chǎn)生的圓周速度Vc)和線(xiàn)性焊接速度。雖然有效的光束速度也取決于焊接的線(xiàn)速度Vw,但在大多數情況下,光束速度Vc遠高于決定焊接動(dòng)態(tài)的焊接速度Vw(圖1b)。此外,這種焊接技術(shù)與標準的同軸噴嘴和輔助氣體端口兼容,這能夠抑制焊接時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸氣,并有助于抑制等離子體云,控制飛濺產(chǎn)生,這些飛濺技術(shù)與遠程焊接中使用的掃描頭不兼容。

 

當使用較小的光斑時(shí),這種擺動(dòng)焊接方法的益處更加明顯。當使用近紅外(NIR)波長(cháng)時(shí),較小的光斑實(shí)現了巨大的功率密度,克服了諸如銅和鋁等材料的高反射率,從而形成具有寬加工窗口的穩定匙孔,并且在使用最佳擺動(dòng)參數時(shí),避免了氣孔和裂紋的產(chǎn)生。這為1μm光纖激光器在電動(dòng)汽車(chē)和電池制造領(lǐng)域開(kāi)辟了新應用,消除了對倍頻綠光激光器的需求。

連續焊


隨著(zhù)新電池技術(shù)的發(fā)展以及電池容量越來(lái)越高,電池制造行業(yè)對焊接技術(shù)的需求正在不斷提升。電動(dòng)汽車(chē)尤其是這一趨勢的主推手,汽車(chē)行業(yè)及汽車(chē)供應商正在尋找穩健、高效的焊接工藝,以大批量生產(chǎn)銅鋁接頭,這種接頭在電動(dòng)汽車(chē)(EV)電池和電力存儲產(chǎn)品中有著(zhù)廣泛需求。

 

激光焊接銅和銅合金所面臨的挑戰,主要源于材料的兩個(gè)主要物理屬性——對大多數工業(yè)級高功率激光類(lèi)型的低吸收率,以及在加工過(guò)程中的高導熱現象。固體銅對近紅外激光的吸收,在焊接剛開(kāi)始時(shí)非常差,僅為4%,因此將光耦合到材料中非常困難。采用較短波長(cháng)(如532nm的綠光激光器)可以提高銅對激光能量的吸收,但是在這個(gè)波段,達到深熔焊所需要的高功率或是經(jīng)過(guò)工業(yè)驗證的激光器,目前還不完備。

 

單模和低階模近紅外1μm光纖激光器為此提供了答案,這些激光器可以將光斑聚焦到20μm的小光斑,1kW單模激光器能實(shí)現超過(guò)1MW/cm2的功率密度。利用這種高功率密度,可以迅速克服材料對激光的吸收不足,熔融銅或蒸發(fā)銅的吸收增加到60%以上,以建立穩定的匙孔。

 

銅焊接中的另一個(gè)問(wèn)題是不穩定性,因為熔化金屬的低粘度和表面張力,在低速焊接時(shí)會(huì )導致飛濺和氣孔。[1] 將速度增加到超過(guò)10m/min,以最小化這些不穩定因素,形成穩定的焊接過(guò)程。然而,這意味著(zhù)最好的焊接參數在傳統的運動(dòng)系統(如機器人)達到極限的范圍內。此外,熔深隨著(zhù)速度的增加而減小,而且焊縫變得非常窄。這必須要通過(guò)增加激光功率來(lái)補償,而增加功率則需要對系統進(jìn)行更高的資本投資。

 

新的工藝研究表明上述現象可以避免,穩定焊接過(guò)程不僅僅可以通過(guò)增加焊接速度來(lái)實(shí)現,而且還可以通過(guò)動(dòng)態(tài)定位激光技術(shù)來(lái)實(shí)現,例如用擺動(dòng)焊接頭實(shí)現穩定的焊接。[2]這種擺動(dòng)技術(shù)允許以低線(xiàn)性焊接速度實(shí)現穩定焊接,并且對熔深影響最小。例如,只利用一臺1kW單模光纖激光器,便可以獲得熔深達1.5mm的高品質(zhì)銅焊縫(見(jiàn)圖2)

圖2:用單模光纖激光器焊接三根扁平的1100銅線(xiàn)


同樣的技術(shù)也可用于高亮度多模激光器,并已廣泛用于改善鋁制外殼(圖3a)的焊接質(zhì)量和焊接一致性。溫度和冷卻速率的變化梯度比傳統的激光焊接慢,這有助于消除缺陷和抑制飛濺產(chǎn)生。比較用標準焊接技術(shù)和擺動(dòng)焊接技術(shù)焊接5000系列鋁外殼(圖3b),使用的功率同為3.5kW,比較顯示,擺動(dòng)焊接可實(shí)現更為穩定的無(wú)氣孔焊接。焊縫熔深為2mm,可以明顯看出在整體焊接質(zhì)量方面,擺動(dòng)焊接技術(shù)更勝一籌。

圖3:焊接1100和3003鋁電池外殼(a)。用擺動(dòng)焊接技術(shù)(左)和非擺動(dòng)焊接技術(shù)(右)獲得的5000系列鋁制外殼的焊接質(zhì)量(b)。


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