光纤激光焊接技术最新进展
2018-07-17   612

光纤激光焊接继续在可焊接的材料和应用方面不断拓展。激光技术和光束传输器件领域的创新,正在克服激光焊接在过去所面临的应用挑战,例如焊接铜、异种材料、薄金属箔或装配不良的零件

 

光纤激光器正在提供越来越多的光束特性、波长、输出功率和脉冲持续时间选择。结合先进的摆动焊接技术,光纤激光器已经通过“改善与高反射率材料的耦合效果、改善熔池的凝固行为、消除缺陷、改善穿透深度控制以及补偿装配不良的零件”等进步,大大缓解了过去面临的应用挑战。

此外,集成的全过程监测技术,如相干成像技术(ICI)允许在焊接过程中实时收集大量信息,帮助制造商严格控制焊接质量,提高生产率。这些驱动型技术正在共同促进无缺陷激光焊接技术在各行各业的先进应用中快速采用。


标准焊接头被设计成将准直的激光束聚焦到所需的光斑尺寸,并在光束传输过程中保持光束路径呈静态,在焦平面上呈现一个静态光斑。这种标准配置,导致每种设置仅限于面向特定的应用。相比之下,摆动焊接头在标准焊接头内整合了扫描振镜技术通过用内部反射镜来移动光束,焦斑不再是静态的,并且可以通过改变各种图案的形状(图1a)、振幅和频率来动态地调节。光束速度Vc可以由摆动频率f和摆动直径D控制,Vc=π D f。

图1:摆动模式(a)和环形摆动图案(b)


提供最佳结果的频率设置取决于光斑尺寸、摆动直径(以及因此产生的圆周速度Vc)和线性焊接速度。虽然有效的光束速度也取决于焊接的线速度Vw,但在大多数情况下,光束速度Vc远高于决定焊接动态的焊接速度Vw(图1b)。此外,这种焊接技术与标准的同轴喷嘴和辅助气体端口兼容,这能够抑制焊接时产生的金属蒸气,并有助于抑制等离子体云,控制飞溅产生,这些飞溅技术与远程焊接中使用的扫描头不兼容。

 

当使用较小的光斑时,这种摆动焊接方法的益处更加明显。当使用近红外(NIR)波长时,较小的光斑实现了巨大的功率密度,克服了诸如铜和铝等材料的高反射率,从而形成具有宽加工窗口的稳定匙孔,并且在使用最佳摆动参数时,避免了气孔和裂纹的产生。这为1µm光纤激光器在电动汽车和电池制造领域开辟了新应用,消除了对倍频绿光激光器的需求。

连续焊


随着新电池技术的发展以及电池容量越来越高,电池制造行业对焊接技术的需求正在不断提升。电动汽车尤其是这一趋势的主推手,汽车行业及汽车供应商正在寻找稳健、高效的焊接工艺,以大批量生产铜铝接头,这种接头在电动汽车(EV)电池和电力存储产品中有着广泛需求。

 

激光焊接铜和铜合金所面临的挑战,主要源于材料的两个主要物理属性——对大多数工业级高功率激光类型的低吸收率,以及在加工过程中的高导热现象。固体铜对近红外激光的吸收,在焊接刚开始时非常差,仅为4%,因此将光耦合到材料中非常困难。采用较短波长(如532nm的绿光激光器)可以提高铜对激光能量的吸收,但是在这个波段,达到深熔焊所需要的高功率或是经过工业验证的激光器,目前还不完备。

 

单模和低阶模近红外1μm光纤激光器为此提供了答案,这些激光器可以将光斑聚焦到20μm的小光斑,1kW单模激光器能实现超过1MW/cm2的功率密度。利用这种高功率密度,可以迅速克服材料对激光的吸收不足,熔融铜或蒸发铜的吸收增加到60%以上,以建立稳定的匙孔。

 

铜焊接中的另一个问题是不稳定性,因为熔化金属的低粘度和表面张力,在低速焊接时会导致飞溅和气孔。[1] 将速度增加到超过10m/min,以最小化这些不稳定因素,形成稳定的焊接过程。然而,这意味着最好的焊接参数在传统的运动系统(如机器人)达到极限的范围内。此外,熔深随着速度的增加而减小,而且焊缝变得非常窄。这必须要通过增加激光功率来补偿,而增加功率则需要对系统进行更高的资本投资。

 

新的工艺研究表明上述现象可以避免,稳定焊接过程不仅仅可以通过增加焊接速度来实现,而且还可以通过动态定位激光技术来实现,例如用摆动焊接头实现稳定的焊接。[2]这种摆动技术允许以低线性焊接速度实现稳定焊接,并且对熔深影响最小。例如,只利用一台1kW单模光纤激光器,便可以获得熔深达1.5mm的高品质铜焊缝(见图2)

图2:用单模光纤激光器焊接三根扁平的1100铜线


同样的技术也可用于高亮度多模激光器,并已广泛用于改善铝制外壳(图3a)的焊接质量和焊接一致性。温度和冷却速率的变化梯度比传统的激光焊接慢,这有助于消除缺陷和抑制飞溅产生。比较用标准焊接技术和摆动焊接技术焊接5000系列铝外壳(图3b),使用的功率同为3.5kW,比较显示,摆动焊接可实现更为稳定的无气孔焊接。焊缝熔深为2mm,可以明显看出在整体焊接质量方面,摆动焊接技术更胜一筹。

图3:焊接1100和3003铝电池外壳(a)。用摆动焊接技术(左)和非摆动焊接技术(右)获得的5000系列铝制外壳的焊接质量(b)。


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