複合激光與(yu) 環形光斑差異化應用

複合激光和環形光斑當下都在鋰電領域得到大規模應用，具體(ti) 各自的差異做個(ge) 簡單總結，希望能夠啟發工藝、擴展到其他行業(ye) 進行應用。

首先看光源和光路設計上的差異：

環形光斑：激光通過特製的光纖傳(chuan) 輸至激光頭，經過準直鏡和聚焦鏡後，於(yu) 工件表麵形成相應尺寸的光斑，該特製光纖由內(nei) 外兩(liang) 部分光纖組成，分別負責傳(chuan) 輸中心高斯激光和外環多模激光，外部為(wei) 低功率密度的環形激光，內(nei) 部為(wei) 高功率密度的圓形高斯激光，且中心激光和外環激光都能獨立調節功率，根據工藝要求任意搭配。在同等激光功率和外部條件下，中心高斯激光的功率要遠高於(yu) 環激光的功率密度，因此，在可調環模式激光焊接過程中，高功率密度的中心激光主要用於(yu) 產(chan) 生匙孔而形成熔深，低功率密度的外部環激光主要用於(yu) 穩定匙孔和熔池，影響熔寬和外觀。

環形光斑可實現小光斑高能量密度的中心光束和較大環形光束任意組合搭配，芯徑可根據不同深寬比、不同能量密度、不同速度、不同表麵質量、不同間隙裝配要求等任意搭配，常見芯徑配比如圖。

圖片來自IPG官網

複合激光：通常是外光路去耦合，通過複合準直聚焦頭，使得光纖激光（1060-1080）與(yu) 半導體(ti) 激光（大光斑平頂光束-450/532/915）經過不同光路從(cong) 聚焦鏡頭重疊複合輸出，得到複合光束。實際使用時可以根據具體(ti) 工藝要求任意搭配兩(liang) 束激光，可選擇不同光纖芯徑、不同波段半導體(ti) 激光進行搭配，多波長複合尤其適用於(yu) 高反材料：銅、鋁等,常用芯徑比為(wei) 20-400。兩(liang) 束激光同軸分布且兩(liang) 束激光的焦平麵可以靈活調節，使產(chan) 品焊後既具備半導體(ti) 激光器焊接的光滑表麵，又具備光纖激光器焊接的高深寬比。

圖片來自論文[1]

將半導體(ti) 激光束與(yu) 光纖激光束經焊接頭外部耦合後，可以通過調節折射鏡片的位置角度對兩(liang) 束激光同軸度以及焦平麵進行靈活調節，從(cong) 而實現不同的複合形式，如下圖所示。

紅色分別為(wei) 半導體(ti) 激光光斑和光纖激光光斑[2]

半導體(ti) 激光與(yu) 光纖激光熱源排列示意圖[2]

不同形式的熱源組合，實現不同熱輸入控製，可以抑製氣孔、裂紋等缺陷。

從(cong) 應用上看差異：

環形光斑：主打低飛濺：環形光束打在匙孔周圍，導致金屬液體(ti) 快速蒸發，蒸發金屬蒸汽給到熔池一個(ge) 向下的反作用力，下壓熔池開口，使得焊接過程熔池匙孔開口呈現“Y”型，從(cong) 而抑製了熔池表麵的播波動，降低了熔池波動蓋住匙孔，遮擋匙孔內(nei) 等離子體(ti) 正常噴湧而出，從(cong) 而降低飛濺發生概率，通過高速攝影研究發現，相比純光纖（高斯能量分布）激光，環形能夠將原來匙孔閉口時間占比由24%降到2%左右，匙孔閉合越少，飛濺發生幾率越低，能夠相比傳(chuan) 統高斯激光能降低92%以上的飛濺，尤其是杜絕了由大飛濺導致質量損失而形成凹坑的缺陷[3]。

複合激光焊接：

主打多波複合：紅藍複合、915與(yu) 1070複合、紅綠複合等，主要是結合半導體(ti) 激光器的高吸收率預熱材料，從(cong) 而實現對1070波長紅光的吸收率大幅上升，同時由於(yu) 半導體(ti) 激光的功率密度相較於(yu) 光纖激光較小，可以實現將穩定熱導焊與(yu) 深熔焊相結合，實現高反合金（鋁、銅）的高效焊接，也同樣能夠實現低飛濺焊接。

圖片來自聯贏激光官網

激光複合焊示意圖[4]

複合焊與(yu) 高斯激光匙孔形態對比圖[4]

激光之所以不穩定的主要特征就是匙孔的不規則波動、不規則形態導致接收激光的吸收率時刻在波動，金屬蒸發量也時刻在波動，使得內(nei) 部受力平衡處於(yu) 極端不穩定狀態，從(cong) 而造成諸如氣孔、飛濺等缺陷無法杜絕。從(cong) 匙孔形態可知：複合激光焊接能夠穩定時刻形態使得時刻呈現規則的上寬下窄的圓柱形態，時刻內(nei) 部波動程度極大降低，受力平衡趨於(yu) 穩定，焊接缺陷也得到極大抑製，直觀表現為(wei) 低飛濺、平滑焊縫表麵。

應用工況差異：

•環形光斑：光路設計緊湊、穩定、調試簡單、內(nei) 外環芯經搭配靈活，可實現超高速焊接，能夠匹配各種準直聚焦頭、振鏡。

複合激光：

•兩(liang) 套激光光源外光路集成、成本可控、兩(liang) 激光熱源焦平麵、間距、排列形式可自由搭配，能夠對不等厚板、超薄搭接、高反合金等進行工藝調整；

•可搭配擺動頭實現半導體(ti) 不動，光纖自由擺動，在熱源選擇與(yu) 分布上更自由，可實現各種熱源分配適應各種特殊工藝；

•熱影響區更大，能量利用率更高，外觀光滑，對配合間隙要求低，降低氣孔率，降低裂紋敏感性上有很大空間

1. Zhao, Y., et al., Stability enhancement of molten pool and keyhole for 2195 AlLi alloy using fiber-diode laser hybrid welding.Journal of Manufacturing Processes, 2023. 85: p. 724-741.

2. Yang, H., et al., Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser.Journal of Laser Applications, 2021. 33(3): p. 032018.

3. Wang, L., X. Gao, and F. Kong, Keyhole dynamic status and spatter behavior during welding of stainless steel with adjustable-ring mode laser beam.Journal of Manufacturing Processes, 2022. 74: p. 201-219.

4. Zhan, X., et al., Microstructure characteristics and mechanical properties of fiber-diode hybrid laser welded 304 austenitic stainless steel.Materials Science and Engineering: A, 2022. 854: p. 143884.