鍍鋅鋼板焊接

各種類型的鍍鋅鋼板被廣泛應用於(yu) 汽車行業(ye) 以及其它存在防腐要求的應用中，例如農(nong) 業(ye) 設備和建築物。但在過去，因為(wei) 鋅的沸點比鋼低得多，鍍鋅鋼板的零間隙搭接焊對激光焊接提出了挑戰。結果，當施加激光能量時，鋅會(hui) 率先氣化，所產(chan) 生的氣壓足以將熔融狀態的鋼吹散，導致焊縫不均，並形成需要隨後清洗的飛濺物。因為(wei) 熔融並保持焊接熔孔所需的激光功率會(hui) 使熔池湍動而不穩定，所以依靠單一焦斑是難以控製這一動態行為(wei) 的。

通過使材料凹陷產(chan) 生間隙，或者在金屬板之間添加墊片，可緩解這一問題，從(cong) 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(ge) 主要難點在於(yu) 當遇到具有複雜三維形狀的部件(如車門)時，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，電動汽車越來越受到消費者的歡迎，這些車輛所使用的鋰電池外殼需要進行焊接，因此衍生出越來越多的鋁焊接需求。具體(ti) 而言，電池製造商必須將頂部焊接到殼體(ti) 上，以便在構件的使用壽命期內(nei) 保持氣密性。由於(yu) 水會(hui) 與(yu) 鋰發生強烈反應，產(chan) 生氣體(ti) 和壓力，可能導致設備損壞，而這種密封可防止水分滲透，因而至關(guan) 重要。此外，金屬顆粒(以及水分)會(hui) 產(chan) 生內(nei) 漏電流，使電池發生短路，因此，避免焊接過程發生飛濺顯得十分重要。最後，焊縫必須具備足夠的機械強度以承受粗糙的處理，甚至是碰撞的衝(chong) 擊。

由於(yu) 電池壁很薄(<1mm)，鋁電池殼的密封傳(chuan) 統上采用激光傳(chuan) 導焊接完成。但使用傳(chuan) 導焊接很難達到足夠的熔融深度以產(chan) 生足夠牢固的焊縫，並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實現更深的熔透(熔孔)焊縫，會(hui) 有殼體(ti) 變形的風險，並且總是會(hui) 引起一定程度的飛濺。

FL-ARM技術

過去一些用於(yu) 消除光纖激光器加工某些特定材料時產(chan) 生飛濺問題的方法包括：在壓力遠低於(yu) 大氣壓(在毫巴範圍內(nei) )的工藝腔室內(nei) 進行激光焊接，或大幅降低進給速率。但是，這些方法最終會(hui) 降低加工能力，或造成消除光纖激光器固有優(you) 勢的實際困難。直到最近，還沒有一種技術能以非常精確地控製熔池動態的方式傳(chuan) 遞光纖激光器能量，支持目前已能達到的量產(chan) 加工能力，並且簡便易行。

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

在芬蘭(lan) 坦佩雷市的相幹( Coherent)應用實驗室，一項深入開發工作已經驗證了一種新的解決(jue) 方案，可實現無飛濺的高速金屬加工，它是通過修改工件上激光焦斑的強度分布，使其顯著偏離傳(chuan) 統的單峰高斯分布來實現的。這項研究表明，由被另一個(ge) 同心激光環環繞的中心高斯分布焦斑組成的光束，通常能成為(wei) 一種有效的方法。

利用相幹公司芬蘭(lan) 工廠(前 Corelase公司)開發出的 FL-ARM 環形激光合束器和傳(chuan) 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(wei) 現實。該光纖采用傳(chuan) 統的圓形纖芯，外覆另一層環形截麵的光纖纖芯。

FL-ARM 可整合到四個(ge) 獨立的光纖激光器模塊中，提供的最大總輸出功率可達到 2.5到10kW。無論具體(ti) 配置如何，在所有情況下，整體(ti) 光束分布(即中心和環形部分功率)可以根據需要獨立調整。此外，中心和環形光束分別采用獨立的閉環功率控製係統，這也確保了整體(ti) 功率調節範圍內(nei) (標稱最大輸出功率的 1%到100%)的出色穩定性。纖芯和環形光束甚至可以獨立調製，重複頻率可高達 5kHz。

在這種布局中(圖1)，內(nei) 部光束與(yu) 外部光束之間的功率比實際上存在無限數量的組合。盡管如此，所有這些組合都大致上可分為(wei) 幾種基礎配置。這些基本模式可進行調整，以提供廣泛的加工特性，從(cong) 而以最優(you) 方式滿足各種應用的需求。

應用結果

經過調整的光束能在中心和環形位置輸出功率，而非形成傳(chuan) 統的單一激光光斑。焊接主要由環形光斑完成，其中焊接工藝又分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 步驟。首先，外環的前緣將工件預熱，而進行焊接所需的額外能量則由環形光斑的後緣提供。通過將所提供的激光能量分成兩(liang) 部分並將其分散到更大麵積的區域，便可產(chan) 生更大的熔池，由此降低材料中的溫度梯度。所有這些特點都有助於(yu) 減少飛濺(圖2)。

圖2：橫截麵顯示了1.25mm 厚鍍鋅鋼板上的焊縫，使用纖維激光器，板材間無間隙，進給速率為(wei) 3.3 米/分鍾，傳(chuan) 統激光聚焦形成的焊縫存在空隙(a)，而采用FL-ARM 技術則可形成出色的無孔隙均勻焊縫(b)。

同時，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(ce) 麵。這樣使得氣化的鋅很容易地通過中心排出，即使零件采用零間隙的方式夾持在一起時也不會(hui) 產(chan) 生任何飛濺。

此外，由於(yu) 環形光束是旋轉對稱的，所以無需跟隨焊縫的方向來調整光束方向，而在弧形或其他形狀的工件上，焊縫的方向變化往往較為(wei) 顯著。因此，這種方法可以顯著簡化工藝流程。

在這種應用中，通過采用 FL-ARM 激光器成功進行深熔焊接，從(cong) 而實現無材料變形的高強度焊接。同樣，其中心和環形部分的光束功率均可配置。

圖3： 兩(liang) 個(ge) 1.6mm 厚的5000 係列鋁部件堆焊焊縫橫截麵顯示深熔透，無孔隙或飛濺。

方法是有效的，因為(wei) 環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上的吸收能力。隨後，光束的中心產(chan) 生深熔孔，由於(yu) 經過預熱，熔孔非常穩定。環形光束的後緣對熔池提供充分支撐，讓氣體(ti) 逸出。由於(yu) 熔孔穩定，材料不易快速凝固，促使整個(ge) 工藝更加一致，工藝窗口也更大。最終結果(圖3)是實現均勻一致的材料滲透和更高質量的無氣孔、無飛濺焊縫。

當前，盡管光纖激光器已廣泛用於(yu) 多種工業(ye) 加工領域，然而，沒有哪種單一產(chan) 品能夠成為(wei) 所有使用情況的最優(you) 選擇。這就是Coherent-Rofin 等激光器製造商開發出大量不同光纖激光器的原因所在。然後在此基礎之上，公司將這些產(chan) 品與(yu) 豐(feng) 富的工藝知識相結合，以擴大其效用，提供更好的結果，例如減少飛濺、提高加工能力並降低用戶的生產(chan) 成本。