激光束焊接（LBW）是進入工業(ye) 4.0的理想選擇。激光製造商和係統集成公司憑借光電子界的承諾，在技術方麵取得了許多進步，推動它們(men) 的應用之一是汽車動力，尤其是電子移動。歐盟委員會(hui) 的項目是促進激光技術進入數字化世界的合適平台。

在整個(ge) 材料加工行業(ye) 中，以激光為(wei) 基礎的技術行業(ye) 在2019年的收入最高，占總收入的三分之一以上。盡管在過去幾年裏，該行業(ye) 的總體(ti) 收入有所下降。在大功率材料加工領域，雖然焊接應用增長較快，但切割仍然貢獻最大。電池焊接在汽車工業(ye) 中的應用越來越多，這是焊接比切割速度加快的原因之一。

在汽車製造業(ye) ，連接材料的主要挑戰之一是不同材料的連接。一百多年來，汽車製造業(ye) 一直在試圖解決(jue) 這一挑戰。目前，在這一領域，人們(men) 正在努力將鋼鐵和鋁結合起來，並引進新材料，如塑料和碳纖維增強聚合物。此外，遵守最新的二氧化碳排放和安全法規至關(guan) 重要。

影響車輛油耗的因素23%是由於(yu) 車輛的重量。反過來，它主要受底盤重量、車身和機構的影響。這意味著這個(ge) 市場需要更安全、更輕的汽車，以符合法規同時仍保持成本競爭(zheng) 力。在這方麵，激光焊接技術可以提供可行的和有競爭(zheng) 力的解決(jue) 方案。

Gestamp公司專(zhuan) 門從(cong) 事BiW、汽車衝(chong) 壓和裝配。鋼和鋁的遠程激光焊接技術是它們(men) 研發中心廣泛應用的一項技術。來自Trumpf的係統和來自IPG、Blackbird、Precitec、Coherent和Lessmüll的基於(yu) 激光的機器是最常用的設備。觸覺激光焊接也是連接相同材料的常用方法，Gestamp有幾個(ge) 工業(ye) 裝置在運行，也在內(nei) 部開發新的技術創新。他們(men) 的特長之一是自行開發的“BiW BKT激光軟化技術”或“Ges/ soft bend”。該技術利用半導體(ti) 激光器，通過激光加熱，可以製造出部分硬化區域的新材料等級。這些特殊的區域將防止諸如點焊斷裂等故障，並提高零件在碰撞中的性能。在碰撞情況下，可以獲得新的彎曲解決(jue) 方案，從(cong) 完全硬化解決(jue) 方案開始，創建具有更多延展性等級的部分軟化區域，可以提供無與(yu) 倫(lun) 比的彎曲性能。將不同硬度的鋼與(yu) 鋁結合也是可能的。

他們(men) 的許多合作夥(huo) 伴都專(zhuan) 注於(yu) 開發用於(yu) 不同材料連接的新技術。目前的主要挑戰是鋁和壓力硬化鋼的機械連接，碳纖維和鋼等新材料的熱連接，以及粘合劑在所有這些過程中的作用。在光纖到光纖連接的情況下，如果使用合適的粘合劑，BKT係統可能是一個(ge) 可行的解決(jue) 方案。目前正在研究幾種鋼纖維連接的潛在解決(jue) 方案。Gestamp研發中心也使用其他基於(yu) 激光的技術，如燒蝕和熔覆。

盡管目前主要采用的是觸覺激光焊接技術，但Gestamp相信，遠程激光焊接技術在未來將成為(wei) 一項更強大的技術，通過優(you) 化材料連接工藝，將使車輛變得更輕。這是因為(wei) 遠程激光焊接可以顯著減少蓋法蘭(lan) 的寬度，這將導致更輕的零件，同時保持相同的性能。焊接過程將加快:遠程激光焊接不需要填充材料。

展望未來，像Gestamp這樣的公司對激光公司有一個(ge) 要求:更多的輸出功率。

該激光製造商的汽車用LBW的方法將其產(chan) 品組合的一部分用於(yu) 汽車的移動性應用，即電動動力總成、功率控製模塊、電池芯、電池組和各種其他大電流設備（圖1）。要求焊縫在汽車的整個(ge) 使用壽命內(nei) 承受熱膨脹和振動。應用中的典型材料是鋁和銅。采用1µm激光器，特別是可調環形光纖激光器，輸出功率高達10 kW。在一根工藝電纜中有兩(liang) 束1µm激光束，其中一束來自光纖中心的傳(chuan) 統高亮度激光束，由環形光束同軸環繞。兩(liang) 個(ge) 梁在動態上相互獨立，可以在整個(ge) 焊接過程中進行調整，例如在功率方麵。

圖1 電動汽車焊接應用是銅和鋁激光焊接增長的主要驅動因素（來源：Coherent）

例如，利用環形激光器對材料進行預熱，當表麵條件充分且1µm光束的吸收率特別高時，可以發射中心光束。獨立調製範圍從(cong) cw到5 kHz。這些激光器具有抗反反射能力，這意味著無需傾(qing) 斜光學元件即可進行垂直焊接。它們(men) 可以減少飛濺和氣孔，並且在焊接時可以很好地控製熔深。此外，可以在不過度加熱材料的情況下將不同材料（如鋁和銅）焊接在一起。這樣可以確保接頭相對空隙、飛濺和無氣孔，從(cong) 而改善電氣和機械特性。Concert已經掌握了異種材料的焊接技術，並願意在鈦、黃銅和鍍鋅鋼焊接以及任何與(yu) 可移動性相關(guan) 的應用方麵進行合作。

Trumpf還致力於(yu) 汽車和電子移動應用的LBW，尤其是電力電子、電池、模塊和容器、發夾式電子驅動器和傳(chuan) 動係部件以及燃料電池。在這一領域，除了傳(chuan) 統的鋁和鋼焊接外，銅焊接也受到了極大的關(guan) 注。Trumpf使用基於(yu) TruDisk係列倍頻薄盤激光器的綠色激光器，輸出功率高達2千瓦，光束質量非常高。這是他們(men) 最好的工具，與(yu) 遠程掃描光學相結合，用於(yu) 在不同且穩定的焊接深度下快速焊接銅。綠色激光還可以應用於(yu) 箔焊和混合金屬焊接接頭，特別是鋁和銅，這需要非常穩定的焊接深度。

此外，多點激光焊接是當今的一個(ge) 重要趨勢，Trumpf憑借其獲得專(zhuan) 利的BrightLineweld技術（一種基於(yu) 2合1光纖的係統，以1µm的速度提供高達16 kW的輸出功率）維持了這一趨勢（參見圖2中的應用示例）。這種特殊的波導結構可同時提供兩(liang) 種焊點尺寸，具有完全可調的功率分布，可穩定所有材料的焊接過程並減少飛濺。鋼焊接可以以每分鍾超過20到30米的速度實現，而且效率很高。銅焊接的一個(ge) 特別優(you) 點是能夠低速或高速運行，確保焊縫光滑。Trumpf可以與(yu) 光電子界合作，特別是與(yu) 監控係統、傳(chuan) 感器、數據處理等方麵的專(zhuan) 家合作，還可以與(yu) 光學製造商合作，他們(men) 能夠處理切割和焊接應用中的高功率、亮度和紅外亮度（>20 kW），以及綠色波長下的高功率。

圖2 BrightLine焊接在銅、鋁和鋼焊接中的應用實例(來源:Trumpf)

Nuburu的藍色激光器在LBW中發揮著特殊作用，尤其是在電動汽車和電池的銅和鋁焊接中。他們(men) 還擁有釺焊和熱處理方麵的專(zhuan) 業(ye) 知識。就汽車應用而言，使用如此短的波長是因為(wei) 銅具有特別高的吸收率，從(cong) 而實現高質量、無飛濺和無氣孔的焊接，而無需應用光束抖動。這也適用於(yu) 異種材料焊接，如電池中的鋼和銅，具有一致且可控的穿透深度，由於(yu) 僅(jin) 使用幾百瓦的藍色激光功率，因此熱負荷較低。

激光集成商在電子移動性方麵的經驗

Comau是FCA集團的成員之一，是先進工業(ye) 自動化產(chan) 品和係統的全球供應商。其產(chan) 品組合包括用於(yu) 電動、混合動力和傳(chuan) 統車輛製造的技術和係統、工業(ye) 機器人、協作和可穿戴機器人、自主物流、專(zhuan) 用加工中心以及能夠傳(chuan) 輸、闡述和分析機器和過程數據的互聯數字服務和產(chan) 品。他們(men) 是焊接頭等複雜設備中激光係統的集成商，將混合熱成像技術應用於(yu) 在線實時質量監控和大數據處理。他們(men) 開發了一種軟件，在錄製的視頻上使用人工神經網絡，能夠在不需要任何破壞性測試的情況下評估關(guan) 節的質量。他們(men) 還致力於(yu) 通過定製的軟件設計提高過程穩定性。

Precitec是激光材料加工和光學計量的專(zhuan) 家。他們(men) 的主要產(chan) 品是用於(yu) 切割和焊接的加工頭，采用完全集成的傳(chuan) 感器技術來監控工業(ye) 應用中的激光過程。Precitec設備可應用於(yu) 電子移動性的許多應用中，其中激光工具可用於(yu) 多個(ge) 過程，如電池接觸焊接（銅/鋁）的實時過程控製，或檢測故障等。通過將OCT技術應用於(yu) 激光材料加工，展示了公司的創新能力。該公司是OCT從(cong) 醫療技術向工業(ye) 生產(chan) 轉移的先驅者和推動者，他們(men) 的成功證明了他們(men) 的正確性。OCT傳(chuan) 感器的使用使客戶能夠以µm分辨率實時測量熔深和/或地形，而不受焊接排放的影響。成熟的turn-key係統，如鑰匙孔導向器或Weld Master，是奧迪工業(ye) 應用中運行的工具，用於(yu) 焊接鋁6xxx係列，無需額外填充焊絲(si) 。該應用的核心是連續測量焊縫幾何形狀，並在此基礎上調整振蕩頻率和寬度以及激光功率。其中一個(ge) 應用是使用Weld Master關(guan) 閉電池單元模塊，該模塊安裝在奧迪e-tron下方，在那裏，電子束振蕩和功率控製確保焊縫無裂紋和氣孔。由於(yu) 通過在線控製將質量檢查整合到生產(chan) 過程中，沒有填充焊絲(si) 會(hui) 導致熱量減少47%，並顯著降低運行成本和生產(chan) 時間。

新技術和歐洲資助項目的作用

許多因素對實現有效和精確的焊接起著作用。其中之一是激光束如何到達待治療區域。Civan公司已將這方麵的創新技術推向市場。它們(men) 提供1µm和532 nm的單模激光器，輸出功率分別為(wei) 10至30千瓦和500瓦。兩(liang) 種波長的高功率都是通過相幹光束組合實現的，在相幹光束組合中，許多光束可以被放大，然後組合成一個(ge) 單模輸出，並控製光束形狀、位置和焦距。他們(men) 使用光學相位陣列技術來實現這一點，通過多個(ge) 激光器產(chan) 生遠場衍射圖案，通過不同的相位調製器控製相對相位，可以任意定義(yi) 輸出最大值的形狀和位置。該係統由特定軟件驅動，能夠非常動態地實現從(cong) kHz到MHz的振蕩頻率，並實時改變光束形狀、焦距或速度，實時調整鑽孔、焊接和切割不同材料（見圖3中的示例）。未來，他們(men) 計劃增加一個(ge) 動態監測係統，該係統與(yu) 動態參數變化一起，將允許實時閉環監測。

圖3利用Civan的動態梁和三個(ge) 相應的關(guan) 節輪廓的可能光束整形示例。(來源:Civan)

這項技術是工業(ye) 4.0的一個(ge) 明顯先兆，歐盟委員會(hui) 在支持此類開發方麵表現出了極大的興(xing) 趣。因此，歐洲層麵的許多集體(ti) 倡議也在“先進製造”的保護傘(san) 下推動LBW。其中一個(ge) 被稱為(wei) PULSATE，這是最近根據GA 951998在Horizon 2020年批準的歐洲項目，將於(yu) 2020年秋季啟動。該項目的目的是將歐洲的許多數字創新中心與(yu) 基於(yu) 激光的製造技術（包括LBW）方麵的專(zhuan) 業(ye) 知識聯係起來，並惠及所有希望適應數字製造和工業(ye) 4.0環境的中小企業(ye) ，他們(men) 將激光視為(wei) 關(guan) 鍵的使能技術，但由於(yu) 缺乏測試能力而無法實施。

該項目的第一年將提供由歐洲資助的激光設備快速簡單測試。將有兩(liang) 種案例：技術轉移實驗（TTE）和采用者用戶案例（AUC）。第一個(ge) 項目通過一個(ge) 非常快速的程序一次性獲得高達15萬(wan) 美元的資金，外加來自歐洲頂級研究中心的額外支持。第二項是經濟可行性研究和指導，旨在向最終用戶保證，實施將在他們(men) 的環境中有效。