光纖激光器用於(yu) 焊接領域雖然已逾十年，但很多最終用戶仍在尋找改善部件加工質量、提高產(chan) 量以及降低加工成本之道。製造商越來越多地希望激光器或激光器係統供應商能夠提供全麵優(you) 化的解決(jue) 方案，甚至可囊括麵向特殊應用的特定“工藝配方”。

相幹公司的 CleanWeld 淨焊技術很好地體(ti) 現了這一點；CleanWeld 是一套適用於(yu) 光纖激光器焊接的綜合方案，不僅(jin) 可以減少高達 80% 的飛濺，還能最大程度避免出現裂紋，同時降低 孔隙率。在改善工藝一致性的同時，CleanWeld 在某些焊接工藝中，所使用的激光功率較往常下降了 40% 。下表匯總了針對光纖激光器在過去麵對的具有挑戰性的一些應用領域中 CleanWeld 能提供的具體(ti) 優(you) 勢。

CleanWeld 淨焊技術將相幹公司在多個(ge) 不同技術領域的專(zhuan) 業(ye) 知識（包括光纖激光器、傳(chuan) 輸光纖、聚焦光學器件和加工頭）， 以及我們(men) 廣泛的焊接工藝知識和內(nei) 部應用開發能力熔於(yu) 一爐，由此改善優(you) 化了加工效果。 CleanWeld 淨焊技術實現精確管理激光器功率在特定情形中的應用方式，從(cong) 而最大程度提高工藝可控性和穩定性，確保始終保持一致的卓越加工效果。

由於(yu) 除了激光器之外，還有諸多因素會(hui) 影響焊接工藝，因此上述所有能力缺一不可。在焊接加工過程中控製並盡可能提 高匙孔和熔池的穩定性是實現卓越加工效果的關(guan) 鍵因素。然而 在實際加工過程中，實現這一目標需要改變包括聚焦激光光斑的能量分布和采用光束擺動在內(nei) 的各種技術，同時還涉及對保護氣體(ti) 以及焊接過程中產(chan) 生的蒸汽進行精確動態控製等諸多因素。CleanWeld 淨焊技術可助您解決(jue) 這些問題。

技術背景

在深熔焊過程中，激光聚焦會(hui) 形成極高的功率密度，被激光聚焦的金屬會(hui) 氣化，從(cong) 而被熔池包圍產(chan) 生匙孔。由激光光束吸收產(chan) 生的匙孔內(nei) 的蒸汽壓力會(hui) 阻止熔池閉合。聚焦的激光光束和匙孔會(hui) 沿焊接軌跡持續移動。

焊接質量由焊接加工過程中匙孔的穩定性決(jue) 定。目的是在整個(ge) 匙孔深度實現穩定的能量平衡，確保能量的均勻吸收，並且匙孔周圍不會(hui) 產(chan) 生紊亂(luan) 的熔池。這同時又可以保證焊接深度的一致性，更重要的是，能夠極大程度地減少焊接工藝中的飛濺並降低孔隙率。

目前為(wei) 止，借助光纖激光器技術實現焊接質量和可靠性已經成為(wei) 了可能，但之所以在實際加工過程中效果不理想是因為(wei) 光纖激光器固有的能量分布形式非常適合切割，但是不有助於(yu) 提高焊接的穩定性。

事實上，可以通過優(you) 化多種工藝參數組合，進而對特定焊接工藝進行優(you) 化，這也正是 CleanWeld 淨焊技術本質所在。其中最顯而易見的因素應該是激光功率和聚焦激光光束的光斑的大小，以及激光能量分布。事實上，必須綜合考慮這三個(ge) 因素才能達到所需的效果，因為(wei) 作用於(yu) 工件的功率密度（而非總體(ti) 功率）才是影響焊接結果的真正因素。此外，根據上聚焦位置也很關(guan) 鍵 – 需要根據上層材料的厚度來進行優(you) 化在熔池動態對流過程中，精確控製激光強度分布（橫向分布和深度分布）可以調整激光能量在匙孔中的吸收率（以及匙孔的後續形狀和暫時穩定性）。這是因為(wei) 激光強度分布會(hui) 直接決(jue) 定工件和匙孔中的溫度梯度。

在傳(chuan) 統工藝中，光纖激光器采用單一圓纖芯光纖，提供的實質上是單模或多模圓形光斑。現在，我們(men) 可以通過多種方法來實現更優(you) 化的激光能量分布。其中包括方形芯（或其他形狀） 以及多芯光纖（例如由兩(liang) 個(ge) 同心芯組成的光纖）。

然後，可以使用各種加工（聚焦）光學器件進一步調整或更改聚焦光斑的大小、形狀和位置。此外，還可以借助功率放大、激光調製和光束移動技術（例如光束擺動）來調整工件表麵指定位置上的有效功率，以及此功率的傳(chuan) 輸頻率。

除了聚焦光學器件之外，激光焊接加工頭也可以采用噴嘴來吹送工藝氣體(ti) ，以及清除持續產(chan) 生的等離子體(ti) 。尤其是可以使用某些輔助氣體(ti) 來穩定特定材料的加熱溫度以及保持熔池內(nei) 的穩定。此外，還可以使用氣刀來保護光學鏡片，吹走焊接過程中產(chan) 生的飛濺對所有相關(guan) 因素進行優(you) 化後，我們(men) 得以向您提供完整且經濟高效的 CleanWeld 解決(jue) 方案，根據您的具體(ti) 需求提供卓越的焊接質量和生產(chan) 能力，而不僅(jin) 僅(jin) 隻是一台隻能提供一個(ge) 額定輸出功率 的激光器。

鋁製電池蓋板焊接

在電動汽車所用的鋰電池生產(chan) 中，其中一個(ge) 關(guan) 鍵步驟是焊接電池外殼。此焊接過程形成的氣密封口必須能保證在部件的使用過程中不出問題。尤為(wei) 重要的是，鋰電池需要此密封來阻隔水分入滲，以防水會(hui) 與(yu) 鋰元素發生劇烈反應，致使產(chan) 生的氣體(ti) 和壓力毀壞設備。此外，焊接工藝本身不能產(chan) 生任何飛濺，因為(wei) 金屬顆粒（以及水分）會(hui) 造成內(nei) 部漏電流，致使電池短路。最後，焊縫必須具有足夠高的機械強度，能耐受住粗暴處理，甚至要能夠經受住碰撞的衝(chong) 擊。

在傳(chuan) 統工藝中，由於(yu) 電池壁很薄 (< 1 mm)，這種鋁電池殼體(ti) 的密封是使用激光熱傳(chuan) 導焊接實現的。 然而，傳(chuan) 導焊接的穿透力不足，焊接的孔隙率較高且強度也不夠，無法阻隔水分滲入。但是， 使用更高的激光功率實現更深穿透（匙孔）的焊接有產(chan) 生氣孔的風險，會(hui) 導致焊接強度不夠，並且總是會(hui) 存在一定程度的飛濺。

相幹公司在經過大量研發工作後發現，要實現高速低飛濺的激光深熔焊，有一個(ge) 解決(jue) 方案就是使用 相幹公司 HighLight ™ FLARM- 可調節環形光斑模式光纖激光器可讓聚焦光纖激光光斑實現這種特殊配置。該激光器的傳(chuan) 輸光纖強化了傳(chuan) 統的圓形纖芯， 外覆另一層環形截麵的光纖纖芯。

HighLightFL-ARM 可調節環形光斑模式光纖激光器可提供 2.5kW-10kW 的輸出功率。可根據需要單獨調節中心和環形的功率，調節範圍可從(cong) 1% 到 100%。纖芯和環形光束甚至可以獨立調節，重複頻率高達 5 kHz。

在這種布局中，內(nei) 部光束與(yu) 外部光束二者間的功率實際上有無限種可能的組合。然而，所有這些組合大致上均可分組為(wei) 圖中所示的配置。這些基本模式可以變化調整來提供廣泛的工藝特性， 從(cong) 而以最優(you) 方式滿足各種應用的需求。

光纖激光器焊接鋁材時，挑戰之一在於(yu) 材料對近紅外線的吸收率相對較低。吸收率可能存在較小的不可預知的變化，這也會(hui) 導致穿透深度發生變化，造成焊接不均勻。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，以及優(you) 化控製鋁電池殼體(ti) 匙孔焊接， FL-ARM 可調節環形光斑模式光纖激光器光束的中心和環形部分的光束功率均可配置。通過使用這種特殊的功率配置方法，光束前緣能夠充分提高鋁材溫度，進而提高相應激光波長下的吸收率。 此外，光束中心部分會(hui) 形成匙孔，而由於(yu) 經過預熱，匙孔相當穩定。 環形光束的後緣讓熔池可以在足夠長的時間內(nei) 保持開放，使氣體(ti) 逸出。由於(yu) 匙孔較為(wei) 穩定，材料不會(hui) 迅速重新凝固，因此整個(ge) 加 工過程更加一致，工藝區間也更大。最終得到均勻一致的材料穿透，以及低飛濺，低孔隙率的更高質量的焊接。

“ 銅製發卡繞組 ” 焊接

將杆式銅製發卡繞組焊接到電機定子中是生產(chan) 汽車電動馬達的一個(ge) 重要步驟。銅製發卡繞組（形狀為(wei) “U”型，因此被稱為(wei) “銅製發卡繞組”）代替傳(chuan) 統電機中使用的線繞繞組。因為(wei) 比金屬絲(si) 硬得多，我們(men) 可以更精確地控製銅質發卡繞組在電機中的方向， 最終實現更大的熱應力和更高的電機效率。

在組裝過程中，首先會(hui) 將各個(ge) 銅製發卡繞組裝載到定子槽中。然後，將相鄰銅製發卡繞組的末端焊接在一起，實現電路連接；焊接整個(ge) 電機後，像傳(chuan) 統電機的繞組一樣，所有發卡將形成一條較長的絞合導線。

這個(ge) 過程的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵點是焊接必須保持銅製發卡繞組的機械定位精準，並且不沒有任何雜質和顆粒物。銅製發卡繞組對齊非常重要，因為(wei) 繞組形狀準確將直接影響電機效率。如果存在瑕疵，繞組成品的阻力就會(hui) 增大，這不僅(jin) 會(hui) 降低電效率，還可能會(hui) 降低組件的機械強度。

相幹公司研發了一種使用光纖激 光器來進行銅製發卡繞組焊接改善加工效果。基於(yu) 標準 HighLight ™ 係列光纖激光器的工藝的第一個(ge) 關(guan) 鍵因素就是“光束擺動”的使用。尤其是在 這種情況下，我們(men) 可以有意縮小工件 表麵上聚焦光束的大小，使其小於(yu) 焊接區域的總麵積。但是，整個(ge) 區域可 以通過快速掃描（擺動）光斑的位置來進行覆蓋。

正如 FL-ARM 可調節環形光斑模式光纖激光器，光束擺動的優(you) 勢就是可以更精確地控製熔池的溫度動態。具體(ti) 而言，通過讓光束反複快速地在工件上移動而不做停留，基本上能夠以高度可控的方式（而不是一次輸出所有功率）對工件實施預加熱，在提高光束效率的同時也不會(hui) 減少有效功率。與(yu) 傳(chuan) 統激光器焊接方法相比，FLARM 可調節環形光斑模式光纖激光器有助於(yu) 穩定熔池，減少飛濺、避免瑕疵並降低焊接孔隙率。

相幹公司還可提供改善激光焊接銅製發卡繞組加工效果的相關(guan) 工具例如，激光焊接子係統包含可視係統來控製聚焦激光光束和銅質發卡繞組的位置。

動力總成組件焊接

由於(yu) 光纖激光焊接過程中通常會(hui) 產(chan) 生飛濺，因此長期以來，汽車動力總成耦合組件焊接一直是光纖激光器的一大難點領域。飛濺汙染是動力總成齒輪或軸承表麵特別不能容忍的。此外，飛濺一般伴隨有焊接孔隙（因為(wei) 飛濺的材料可能會(hui) 留下空隙或切口），會(hui) 影響焊接質量、強度和一致性。

相幹公司采用 CleanWeld 淨焊技術證明采用光纖激光器已可消除大部分飛濺問題。具體(ti) 改進措施包括優(you) 化多個(ge) 加工因素（包括激光功率和供氣噴嘴），其中關(guan) 鍵因素來自 於(yu) 傳(chuan) 輸光纖的正確選擇。尤其是改變聚焦光束橫截麵單一圓形光斑可從(cong) 根本上減少熔池內(nei) 的紊流狀況，進而減少飛濺。已有焊接樣品可證明經過優(you) 化的光纖激光器焊接工藝的質量。

圖 3 顯示在部件尺寸準確時，焊接接縫較窄（寬度小於(yu) 1 mm） （例如零空隙）。這樣可以在更大程度上減少受熱影響的區域和 變形。根部寬度大於(yu) 0.3 mm時與(yu) CO2 激光器焊接效果近似。然而，由於(yu) 部件存在誤差，一些動力總成焊接應用需要填補空隙。 通過智能調整光學設置，采用飛濺和孔隙率極小的穩定焊接可以填補（無需填充焊絲(si) ）0.3 mm 以下的空隙（如圖 4 所示）。

除了消除飛濺之外，在這種情況下使用的光纖激光器焊接參數還可以提高加工速度。事實上，利用此技術的一位汽車供應商表示，與(yu) 以前的光纖激光器工藝相比，他們(men) 的產(chan) 量增加 了 20%。

汽車掛件焊接

汽車掛件通常采用鋁製材質，進而增加激光焊接的難度。 特別是在焊接的過程中，鋁通常會(hui) 因損失合金元素而有可能產(chan) 生“熱裂”。 因此，需要向熔池中補充材料（一般是填充焊絲(si) ）。此外，因為(wei) 飛濺產(chan) 生的汙染物會(hui) 進入掛件（例如車門）中，因此有時會(hui) 引起掛件出現問題。例如，一位製造商報告稱飛濺材料進入門中並阻塞了排水孔。

針對這一問題，CleanWeld 淨焊技術在優(you) 化了激光的能量分布。經過優(you) 化的光束形狀可預先或在後期對部件進行加熱，避免因部件快 速冷卻而導致問題。 此外，這一解決(jue) 方案還可以消除飛濺，並且無需填充焊絲(si) 。對激光功率分布做出細微調整之後的焊接效果如圖 5 所示。部件 A 和 B 顯示，通過調整光束強度橫截麵，不僅(jin) 可以控製焊接深度，而且能保持焊接寬度的一致性。

鍍鋅鋼板的零間隙焊接

鍍鋅鋼板是另外一種在汽車掛件以及車身中廣泛應用的材料。由於(yu) 這種材料在吸收激光能量時，較易揮發的鋅會(hui) 首先氣化，因此零間隙焊接是焊接鍍鋅鋼板的一大難題。 焊接過程中產(chan) 生的氣壓會(hui) 使液態金屬噴射，不僅(jin) 導致焊縫不一致，隨後還會(hui) 產(chan) 生需要清除的飛濺物。這個(ge) 問題的處理方法有兩(liang) 種，包括清理材料上缺陷，或者在板材之間添加墊片，從(cong) 而留出足夠的空間（大約 0.1 - 0.5 mm），讓汽化鋅能夠以受控的方式排放到匙孔側(ce) 麵，而非頂部。 但這種方法依然存在缺點。

應用實驗證明，CleanWeld 淨焊技術不必在板材之間留出空隙就能焊接鍍鋅鋼板，大量激光功率再一次從(cong) 光束中心散發到邊緣。和焊接鋁材相似，CleanWeld 淨焊技術會(hui) 對材料實施預加熱和後續加熱，同時可減少匙孔中心的壓力。這使得鋅氣體(ti) 更易通過中心排出，而不會(hui) 產(chan) 生任何飛濺， 即使零件間無間隙地夾在一起時也是如此。然而，值得注意的是，這種功率分布具有對稱性，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調整光束方向。而在弧形或其他形狀的部件上焊接時，焊縫的方向變化往往較為(wei) 顯著。因此， CleanWeld 可利用掃描振鏡頭大幅簡化加工過程。

不鏽鋼型材焊接

不鏽鋼管是通過將扁平鋼帶的橫截麵鍛成圓形，然後對對接位置進行焊接來形成閉合管材。焊縫形狀、尺寸精度以及材料特征將能否對部件進行後續製造產(chan) 生影響（例如折彎和折弧）， 因此對焊接質量的要求非常苛刻，尤其在汽車應用中。

長期以來，型材焊接一直采用 CO2 激光器，至今仍以此作 為(wei) 加工標準。這是因為(wei) CO2 激光器可以實現卓越的焊縫質量以及較高的進給速率。盡管製造商希望轉而采用光纖激光器，借此降低經營成本，但光纖激光器在生產(chan) 效率方麵一直無法達到預期效果。 飛濺問題是傳(chuan) 統光纖激光器在型材焊接中產(chan) 生的問題之一。

飛濺會(hui) 造成大量材料的損耗和側(ce) 切口，降低焊縫的機械強度，同時會(hui) 降低焊接質量和焊縫的一致性。之所以存在這種問題，原因通常在於(yu) 不鏽鋼對近紅外光纖激光器波長輸出的吸收要強於(yu) 更長的 CO2 激光波長。這種高吸收率導致材料加熱更快，此外，這種加熱局限在較小區域內(nei) ，這兩(liang) 方麵因素致使熔池中的材料變得紊亂(luan) 。

采用相幹公司 FL-ARM 可調節環形光斑模式光纖激光器或其他光束整形傳(chuan) 輸光纖來改變標準光纖激光器的功率分布來降低熔池的不穩定狀況。這使得焊接加工的動態與(yu) 傳(chuan) 導焊接中的穩定條件類似，從(cong) 而提高匙孔（深熔）焊接的縱深比。更重要的是， FL-ARM可調節環形光斑模式光纖激光器可滿足如今市場需求（一 般是 8 米 / 分鍾到 24-30 米 / 分鍾之間，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 厚度和材料） 實現高質量的加工效果。

總結

總之，隨著光纖激光器技術愈加成熟，以及對工件上真正起作用的激光能量影響因素加深了解並予以控製，光纖激光器焊接效果改進指日可待。相幹公司最新推出的 CleanWeld 淨焊技術已經證實，通過更有效地利用現有光纖激光器，完全可以顯著改善焊縫的幾何結構、飛濺、裂紋和孔隙率問題以及工藝的穩定性。