適合挑戰(zhàn)性應(yīng)用的創(chuàng)新型光纖激光技術(shù)

■ Jarno Kangastupa

光纖激光器雖已廣泛用于金屬焊接與切割領(lǐng)域，但業(yè)界仍在不斷努力拓展光纖激光器的功能，改善其在制品質(zhì)量、產(chǎn)量和加工成本方面的優(yōu)勢。相干公司近期取得的突破之一即成功研發(fā)了可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式光纖激光器（HighLight FL—ARM）。

光纖激光器焊接特性

光纖激光器已在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了CO2激光器，但并不是所有情況下都具有優(yōu)勢。有時光纖激光器會造成更嚴重的飛濺，污染工件、夾持機構(gòu)和防護鏡片。清除這些污染會帶來額外的加工流程，更高的成本和更低加工效率。此外，材料的噴射也會造成材料本身的損失和側(cè)面切口，從而降低了焊縫的機械強度和質(zhì)量。之所以存在這種問題，原因通常在于大多數(shù)金屬對近紅外光纖激光器輸出波長的吸收要強于更長的CO2激光波長。這種高吸收率會導(dǎo)致材料更快被加熱，而這種加熱被限制在較小區(qū)域內(nèi)，這兩方面因素致使熔池變得動蕩無序。

另外，為了消除飛濺問題，過去采用的方法包括在遠低于大氣壓力（毫巴范圍）的環(huán)境中進行激光加工，或大幅降低加工速度。但這些解決方案要么降低生產(chǎn)效率，要么在實際應(yīng)用方面存在困難，并且犧牲了光纖激光器固有的優(yōu)勢。

FL—ARM 技術(shù)

相干激光公司位于芬蘭坦佩雷的應(yīng)用實驗室通過大量研究證明，改變聚焦激光光斑在工件上的強度分布，使之明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的單峰高斯分布，即可實現(xiàn)高速且無飛濺的金屬加工解決方案。其中，這項研究說明如果采用環(huán)形分布的光束，同心環(huán)繞在一個中心由高斯分布構(gòu)成的光束是有效的途徑。

利用相干激光公司工廠（前Corelase公司）開發(fā)出的 FL—ARM 環(huán)形激光合束器和傳輸光纖，使這種不同尋常的光纖激光聚焦光斑配置得以成為現(xiàn)實。該光纖采用傳統(tǒng)圓形纖芯，外覆另一層環(huán)形截面的光纖纖芯。

FL—ARM 可整合到四個獨立的光纖激光器模塊，最大總輸出功率可達到 2.5~10kW。無論具體配置如何，在任何情況下，整體光束分布（即中心和環(huán)形部分功率）均可按需獨立調(diào)整。中心和環(huán)形光束分別采用獨立的閉環(huán)功率控制系統(tǒng)，這也能確保整體功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)（標稱最大輸出功率的 1%~100%）的出色穩(wěn)定性。纖芯和環(huán)形光束甚至可以獨立調(diào)制，重復(fù)頻率高達 5kHz。

在這種布局中，內(nèi)部光束與外部光束二者間的功率比實際上有無限可能的組合。盡管如此，所有這些組合均大致上可分組為幾種基礎(chǔ)配置（見圖1）。這些基本模式可進行調(diào)整來提供廣泛的工藝特性，從而以最優(yōu)方式滿足各種應(yīng)用的需求。我們下面研究一些實際應(yīng)用，這將有助于我們充分理解特定情況下通過 FL—ARM實現(xiàn)的顯著工藝改進。

焊接鍍鋅鋼

用于汽車車身和其他應(yīng)用的鍍鋅鋼需實現(xiàn)零間隙搭接焊，這對激光焊接提出了挑戰(zhàn)。與鋼相比，鋅的沸點較低，這意味著鋅會首先蒸發(fā)，所產(chǎn)生的氣壓可能會將鋼液吹走。這會造成不一致的焊縫，并且后續(xù)還要清理飛濺的材料。

過去，這個問題的處理方法包括在材料上造窩，或者在板材之間添加墊片，從而留出一定的空間，讓氣化鋅能夠以受控的方式泄放到匙孔側(cè)面，而非頂部。但是，如果部件具有三維的復(fù)雜形狀（比如車門），那么就很難在板材之間保持一致的小間隙。相較而言，制造將部件緊密夾持在一起的夾緊裝置要容易得多。

FL—ARM 無需在部件之間留出任何間隙即可順利焊接鍍鋅鋼板。經(jīng)過調(diào)整的光束能在中心和環(huán)形位置輸出功率，而不會形成傳統(tǒng)的單一激光光斑。焊接主要由環(huán)形光斑完成，其中整個焊接工藝又分為兩個步驟。首先，外環(huán)前沿會預(yù)熱工件，而執(zhí)行焊接所需的額外能量則由環(huán)形光斑的后側(cè)部分提供。通過將所提供的激光能量分成兩部分并將其分散到更大面積的區(qū)域，即可產(chǎn)生更大的熔池，降低材料中的溫度梯度。所有這些特點都有助于減少飛濺。

位于中心的光斑能夠維系深熔孔（匙孔）的存在，以便將熔融材料推向側(cè)面。這使得鋅氣體很容易通過中心排出，即使零件采用零間隙的方式夾持在一起時也不會產(chǎn)生任何飛濺。

使用光纖激光器加工的鍍鋅鋼（板材之間無間隙）焊縫中的空隙橫截面如圖2a所示， 使用FL—ARM 以3.3m/min加工速度焊接的1.25mm鍍鋅鋼板的焊縫橫截面如圖2b所示，可見該焊縫表現(xiàn)出優(yōu)異的均勻性和無孔特性。

此外，由于環(huán)形光束是旋轉(zhuǎn)對稱的，所以無需跟隨焊縫的方向調(diào)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顯著。因此，這種方法能極大地簡化工藝實施。

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

圖 2

鋁焊接

鋁這種材料對近紅外線的吸收率相對較低，因此使用光纖激光器進行焊接的難度較大。較小且不可預(yù)測的吸收率變化可能會導(dǎo)致熔深發(fā)生變化，進而造成多氣孔和駝峰狀等焊接缺陷。

在汽車行業(yè)中，一個主要應(yīng)用是焊接電動汽車中使用的動力電池。在傳統(tǒng)工藝中，由于電池壁很?。ǎ?mm），這種鋁制電池殼體的密封是使用激光傳導(dǎo)焊接實現(xiàn)的。然而，傳統(tǒng)工藝很難達到充分的穿透深度，在形成足夠高焊接強度的同時，保證足夠低的孔隙度，從而防止水分滲入。但是，使用更高的激光功率實現(xiàn)更深穿透（匙孔）的焊接會使殼體變形，并且?guī)缀蹩偸菚?dǎo)致一定程度的飛濺。

在這種應(yīng)用中，可以采用FL—ARM 激光器成功執(zhí)行深熔焊接，從而實現(xiàn)無材料變形的高強度焊接。同樣，其中心和環(huán)形部分的光束功率均可配置。

結(jié)語

光纖激光器廣泛用于多種工業(yè)加工，盡管如此，沒有任何一種產(chǎn)品能放之四海而皆準，成為所有情況下的最優(yōu)選擇。正因如此，Coherent—Rof i n 等激光器制造商開發(fā)出多種不同的光纖激光器。在此基礎(chǔ)之上，公司以豐富的工藝知識支持這些產(chǎn)品，幫助用戶拓展其實用性，提高產(chǎn)量，并降低生產(chǎn)成本。