先進激光加工技術在焊接行業(yè)的應用

魏麗華，暴宋杰，張維官

1.中國機械工程學會/北京中機天達科技發(fā)展有限責任公司 北京·埃森焊接與切割展覽會組委會 北京 100036

2.機械工業(yè)信息研究院金屬加工雜志社 北京 100037

光學技術的快速發(fā)展，快速推動了激光加工技術的進步與應用，特別是超快激光器、飛秒激光器、藍光激光器等產(chǎn)品的面世，對于激光加工在焊接領域的高效焊接起到了巨大的作用。

由于激光加工具有光點小、能量集中、熱影響區(qū)小、不接觸工件及對工件無污染等特點，因此，涌現(xiàn)出激光切割、激光焊接[1]、激光復合焊[2]、激光增材[3]等各種形式的新工藝新技術，在汽車制造、軌道交通、航空航天等眾多行業(yè)得到了快速的應用。基于此，越來越多的激光加工相關的研制企業(yè)涌現(xiàn)出來，為裝備制造企業(yè)的快速、高效、智能化的激光加工提供了各種各樣的產(chǎn)品和解決方案。

激光器促進焊接加工技術快速進步

激光器作為激光加工的“心臟”，對激光加工能夠在制造業(yè)中的快速推廣起到關鍵性作用，因此，激光器的功率、光束直徑、光斑模式及噪聲等性能，以及小型化、便攜化等是激光器企業(yè)最重要的研發(fā)方向。因此，行業(yè)知名的IPG、銳科、凱普林、創(chuàng)鑫、通快等激光器企業(yè)都展示出了公司最新研究成果。

（1）凱普林閃電系列激光器 凱普林作為國內(nèi)激光器知名企業(yè)之一，一直致力于激光器的研發(fā)及應用效果，其閃電系列光纖激光器，主打“更小更輕更智能”，是最小的激光器之一。其中，閃電1000W光纖激光器更是僅有筆記本電腦大?。ㄒ妶D1）?！癓ess is more”是閃電系列的極限設計理念，通過對泵浦源、芯片和水冷板的一體化設計，旨在讓光纖激光器剔除多余構造，打造極限空間，從而減小體積、減小質(zhì)量，便于終端用戶的應用集成。凱普林閃電系列12kW光纖激光器，擁有獨特的抽屜式設計，比老款體積減小74%，質(zhì)量減少51%，更便攜，應用場景也更多元。

圖1 凱普林閃電系列激光器

此外，閃電系列還具有高功率、高亮度、智能化、性能穩(wěn)定等特征，針對市場同類產(chǎn)品體積冗余、笨重的痛點具有較強的競爭優(yōu)勢。目前，閃電系列1000W、1500W、2000W及3000W主要應用于手持焊領域，閃電系列6000W、12kW側(cè)重于激光切割領域，對不銹鋼、碳鋼以及鋁銅等金屬材料都可實現(xiàn)精細加工（見圖2）。

圖2 激光器應用樣品

（2）銳科激光器 銳科是國內(nèi)激光器的頭部企業(yè)之一，其產(chǎn)品的應用領域也是涵蓋了汽車制造、機械制造、航空航天等。銳科有3款產(chǎn)品值得關注：旗幟帶光閘環(huán)形光斑ABP4000/2000激光器、藍光500W光纖激光器和250W MOPA脈沖光纖激光器。

旗幟帶光閘環(huán)形光斑ABP4000/2000激光器相比普通光纖激光器，采用優(yōu)化升級的泵浦源、有源光纖等核心器件，配置高耦合效率、可高頻次切換的分時光閘，焊接無飛濺，避免焊后處理，顯著提升良率，實現(xiàn)更快焊接速度、更高焊接質(zhì)量，廣泛應用于鋁電池、汽車零部件、電子元器件制造等。

藍光500W光纖激光器（見圖3）對銅等有色金屬的吸收率是紅外的12倍，復合焊接能夠?qū)崿F(xiàn)2～5mm以內(nèi)紫銅對接焊，抗拉強度均可達到母材強度的67.7%以上，最大抗拉強度可達母材的81.3%。通過高速攝像觀察，藍光-光纖復合焊接紫銅過程中熔池形成非常穩(wěn)定，無飛濺。主要應用于電池銅箔的軟連接焊接、電池極柱的焊接、電池紫銅位置焊接、電動機銅扁線的焊接、銅絲導線的焊接、紫銅水冷裝置的焊接及黃銅閥門焊接等。

圖3 藍光500W光纖激光器

（3）IPG YLS-ECO系列 在IPG眾多的產(chǎn)品和技術解決方案中， YLS-ECO系列高效節(jié)能型高功率光纖激光器（見圖4）就是其中的一款，該激光器是IPG在綠色制造理念下研發(fā)推出的創(chuàng)新產(chǎn)品。在IPG獨有技術平臺的支持下，YLS-ECO系列激光器電光轉(zhuǎn)換效率可達50%以上，并且擁有出色的長期功率穩(wěn)定性，確保在所有高功率應用（包括切割、焊接、釬焊、熔覆和表面處理）中，能夠年復一年地保持其卓越加工能力，為最嚴苛的應用提供長期穩(wěn)定激光功率，幫助高端制造企業(yè)擺脫低效和高耗能的困擾，進而利用高效技術實現(xiàn)綠色制造。

圖4 YLS-ECO系列高效節(jié)能型高功率光纖激光器

總之，焊接與切割作為激光加工應用的主要工藝，激光器的優(yōu)劣是企業(yè)重點考慮的因素之一。因此，激光器企業(yè)除了研發(fā)各種高性能的激光器之外，也在貼近用戶，針對各種應用場景，研發(fā)各種解決工藝方案。

先進的激光焊接工藝助力企業(yè)高效焊接

當前，激光焊接工藝主要有激光焊、激光-MIG復合焊、激光-MAG焊及激光熔覆等[1，4-6]，而激光復合焊在行業(yè)中的應用越來越成熟，因此，激光電弧復合焊接發(fā)揮作用將會越來越多。激光焊接工藝的快速應用，也促進了激光焊接相關的企業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)出一批在國內(nèi)比較知名的企業(yè)，比如華工激光、大族激光、銘雷激光、鑫全利、天一及創(chuàng)鑫激光等，銘雷激光推出了一款30 000W高功率激光電弧復合焊接系統(tǒng)；創(chuàng)鑫激光發(fā)布了雙光束（環(huán)形光斑）系列激光焊接系統(tǒng)。

1）30 000W高功率激光電弧復合焊接系統(tǒng)。銘雷激光的該焊接系統(tǒng)采用高功率激光與傳統(tǒng)焊接相結(jié)合，激光束和電弧在共同的熔池中相互作用，相互影響和支持，彌補彼此焊接工藝的缺陷，充分發(fā)揮激光深熔和弧焊蓋面的優(yōu)勢，有效提升焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低制造成本。該激光電弧復合焊系統(tǒng)的優(yōu)勢：復合焊接強度高、速度快、熱輸入小、變形量少；30mm不需開坡口，減少送絲填料消耗；焊縫橋接大、間隙容忍性強；新型、智能、節(jié)能、自動化，如圖5所示樣機。

2）雙光束（環(huán)形光斑）系列激光焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)是創(chuàng)鑫激光針對新能源電池一站式激光解決中的核心主推產(chǎn)品。功率段為3000W+3000W和2000W+2000W，集激光器控制系統(tǒng)于一體，采用環(huán)形光斑設計，可有效抑制飛濺，能夠得到更好的光束質(zhì)量。功率輸出穩(wěn)定性高，功率波動＜1.5%；具備功率監(jiān)控與功率補償功能，光束質(zhì)量一致性強，補償節(jié)拍在0.3ms以內(nèi)。

總之，激光復合焊接技術是主要以通過激光器+協(xié)作機器人或工業(yè)機器人+焊機等方式組合起來的一整套焊接系統(tǒng)，隨著智能化焊接技術的發(fā)展，未來激光復合焊接將會越來越智能，給企業(yè)帶來更加高效、環(huán)保的焊接生產(chǎn)方式。

手持激光焊加快手工焊接變革

如果說激光復合焊會替代傳統(tǒng)的焊接工藝，那么，手持激光焊的出現(xiàn)，將會加速傳統(tǒng)弧焊工藝向激光焊工藝的推進，因此，也加速了手持激光焊的發(fā)展。據(jù)了解，目前生產(chǎn)或研制手持激光焊設備的企業(yè)有1000余家，如此龐大的企業(yè)規(guī)模，必將會進一步促進手持激光焊工藝的技術進步和應用。第26屆北京·埃森焊接與切割展覽會上，涌現(xiàn)出了一大批從事手持激光相關的企業(yè)，比如桓日激光、凱普林、IPG、銘雷激光、麒麟激光、麥格米特及瑞凌等。

1）桓日激光的紅桐系列新品A1MD30手持激光焊。它采用三控聯(lián)調(diào)一體化，激光器、焊槍、送絲機三孔合一，僅通過主機上的屏幕就能控制整個系統(tǒng)并實現(xiàn)聯(lián)調(diào)，自動調(diào)用最優(yōu)焊接參數(shù)；其智能化與自動化使焊接變得簡單易學，大大降低了焊接入門門檻，可幫助企業(yè)大大降低用工成本。此外，紅桐A1MD30還可以焊多種金屬，如鋁合金、黃銅、紫銅等高反材料，且焊縫整潔美觀、熔深高，如圖6所示。

圖6 桓日激光手持焊接機演示

2）麥格米特手持式激光焊接系統(tǒng)。該設備配備1.5kW/2.0kW激光器（見圖7），適用于5mm以下薄板焊接，比如鈑金、汽車內(nèi)飾、燈具等行業(yè)。具有以下特點：①高穩(wěn)定性激光發(fā)生器，嚴格指定核心器件，輸出功率穩(wěn)定，參數(shù)波動極?。虎谳p便式手持焊接槍頭及送絲系統(tǒng)，故障率低，操作簡單，維護方便；③雙溫雙控智能冷卻系統(tǒng)，可靠穩(wěn)定；④一機多用，支持手持焊接、機器人焊接、激光焊縫清洗機簡易激光切割等功能；⑤具有效率高、變形小、免打磨、上手快等特點。

圖7 麥格米特手持激光焊機

手持激光焊機的爆發(fā)式增長，說明了未來手持激光焊將會越來越適合焊接的發(fā)展方向。

結(jié)語

激光加工技術作為當前焊接技術最具前沿性的一種先進焊接工藝，隨著激光器、焊機、控制系統(tǒng) 視覺跟蹤等技術的進步，越來越受到企業(yè)的重視。因此，激光加工開始從薄板加工向中厚板方向發(fā)展，未來必將更廣泛的改變企業(yè)的生產(chǎn)方式。