多个激光束的材料加工应用

^新型工艺

激光焊接工艺的研究重点主要是工艺流程的优化及加工质量的改善。我们将阐释具有不同参数的多光束激光加工在车身钎焊、硅铝合金镀层不锈钢板焊接以及聚合物与金属材料焊接的应用。

       

从重工业到消费电子产品行业，激光器都是一种不可或缺的材料加工工具。人们普遍将激光材料加工工艺视为是一种成熟的、能够提高生产力的加工工艺，并不断寻求将其拓展至新的应用领域。最近，这种探索产生了一种在单一工件上，使用多条光束同时照射、每条光束都根据整个工艺而优化过的有趣趋势。

 

本文将着重介绍3种多光束激光加工应用

首先，我们介绍三光点钎焊如何利用整体配合的光束对高强度的汽车材料焊接且外形美观。

接下来，高强钢两步焊接中激光清洁使激光焊接获得良好的强度和一致性。

最后，我们将了解激光金属表面织构如何使高强度高密封性的聚合物与金属焊接在一起。这些意味着具有不同芯径、脉宽甚至是波长的多条光束相互配合可获得前有未有的加工效率。

• 三光点钎焊

激光器的特性对于汽车行业很重要，是因为激光焊接获得了更高的焊接强度而用的焊料最少，同时提高了安全性并更为经济。这主要是由于其焊接强度高、材料使用少，同时还提高安全性，使燃料减少。当激光焊接普遍用于汽车生产制造时，人们更倾向于用更为美观的工艺来满足沿车顶和汽车内部可见焊缝部位的生产需要。

与普通焊接相比，钎焊是一种无需熔化基材而进行焊接的工艺。对于汽车应用而言，激光能量熔化焊丝将2个钢或者铝合金表面无缝焊接在一起。汽车厂商需要在喷漆前进行简单清理以实现真正无缝焊接的钎焊工艺。

电镀低碳钢钎焊的研究重点是焊接质量及焊缝外观。特别是留在镀锌层上的氧化物和污染物，它们是造成飞溅和边缘粗糙的主要原因。对该领域的研究催生出一种新的三光点钎焊系统，沿钢板边缘的两个引导光束，用于清理污染物并预热镀锌层以改善浸润。紧随其后的主光束则提供能量熔化Cu/Si钎料，将刚刚清理过边缘表面的两个钢板无缝焊接，如图1所示。

图1 三光点钎焊示意图

2个红色德引导光束清理并预热钢板边缘表面以改善浸润。紧随其后的主光束则提供能量熔化Cu/Si钎料，将刚刚清理过边缘表面的两个钢板无缝焊接。喷漆后，这些焊缝肉眼不可见。

三光点钎焊系统依赖于图2所示的光纤技术的灵活性。将光纤激光器与3根芯径不同的光纤耦合，通过1根光缆传输。在靠近工件的地方，传输光纤会按设计产生3光点光斑，使光斑较小的引导光束在主光束完成无飞溅的钎焊之前进行预清理。

图2 三纤芯三光点钎焊光路

特别设计的光路使具有不同芯径的光纤通过一根操作光纤进行传输，在钎焊区域内产生不同尺寸的光斑。

为了更直观地评估三光点钎焊的优势，我们用1.6 mm的CuSi3合金焊丝、3.5 kW的光纤激光钎焊主光束，以4.5 m/min的速度对厚度为0.8 mm的热浸钢板样件进行钎焊。在采用350 W引导光束在钎焊前对材料进行预清理以后，更好的边缘一致性和表面光洁度明显可见（如图3）。

图3 单光点及三光点钎焊的对比

单光点（a）和三光点（b） 钎焊均使用Cu/Si钎料进行钎焊。表面光洁度的改善和边缘粗糙度的降低在三光点钎焊中很明显。通过横截面（c）可以看到三光点钎焊的一致性及焊接质量。

三光点钎焊在1道工序中将焊前清理和钎焊相结合，大大降低了喷漆前对钎焊后道工序的要求。三光点钎焊完全可以在平面或者曲面上高速自动化地获得卓越的焊接强度和可重复性。汽车厂商逐渐采用他们更青睐的三光点钎焊用于对外观有更高要求的钢板焊接，以获得最高的效率和最好的外观。

• 高强钢的两步激光焊接

汽车厂商一直在寻求能生产更安全、更高效汽车的新型材料及焊接工艺。强度特别高的含硼高强钢（HSS）因此进入了汽车创新的范畴，在北美使用的汽车救生工具“救生颚”甚至因此对救生工具的标准进行了重新界定。假设焊接技术无需变化，更高的强度意味着可以使用更少的材料减少车体的重量。在焊接高强钢时，汽车厂商更倾向于激光焊接工艺。但早期尝试使用激光焊接却因为热成型工序中使用AlSi保护涂层问题受阻。因为用激光焊接AlSi涂层高强钢时可能导致内部铁铝金属层脆裂。

无需再顾虑铁铝金属层脆裂问题，焊接区域的防腐涂层被清理以后会显著提高高强钢焊接质量。图4表示的是用一台1 kW、脉宽为70ns的脉冲光纤激光器完整地清理AlSi涂层。激光器通过新型的方形操作光纤提供了高达100 mJ的脉冲能量（ 每mm2 的功率密度为7-10 J/cm2），以既精确又经济的10 m/min的速度，清理厚度为30 μm的AlSi涂层。然后再用近红外的千瓦级连续（CW）光纤激光器完成焊接工序，使高强度、轻量化的拼焊板可以供应给汽车制造行业。

图4 高强钢焊接时的AlSi涂层清理

具有高脉冲能量的光纤激光技术通过一根新型的方形光纤传输，高效清理AlSi涂层，获得钢材本体表面以强化焊接质量。

与采用2种具有不同芯径的连续激光束的三光点钎焊不同，HSS 两步焊接法先用高脉冲能量纳秒级激光器激光烧蚀清理，然后再用高功率连续激光器焊接。我们接下来介绍的应用实例也是用两步操作，但是我们将其拓展至亚纳秒级领域并采用了两种不同波长的激光器。

• 聚合物与金属的焊接

焊接需要将两边基材在焊缝附近的区域熔化，这样才能将两者稳定的焊接在一起。焊接在金属与金属、聚合物与聚合物之间用用的最为广泛。由于聚合物与金属的熔点极为不同，两种材料之间进行焊接不太可能。寻找聚合物与金属之间的焊接方法依然是从消费电子到医疗设备等许许多多的行业探索的热门工艺。近期使用光纤激光技术两步工艺为该问题提供了解决方案，极具发展前景。

第一步，用一台平均功率30 W、峰值功率400 kW的近红外光纤激光器， 脉宽150 ps，进行金属表面织构（如图5a）。微观研究显示，激光照射熔化出纳米级的表层，迅速形成精细的大表面积适合后道焊接工序的结状结构。这些织构表面的重要之处在于他们可以形成于黑色金属，甚至是铜等高反金属（如图5b）。资深的焊工知道，均匀的深色表面的工艺空间最大，因为反射率的变化会影响激光器在高反金属上的能量阈值。

图5 通过亚纳秒光纤激光器进行铜表面织构

（a）使用亚纳秒近红外光纤激光器获得的具有精结状结构的实例（放大10,000倍）。

（b）经过织构以后的铜表面变为完美的黑色，使其成为后序激光加工的理想吸收体。

聚合物与金属材料的焊接使用波长为1.9 µm的掺铥连续光纤激光器。中红外波长远比近红外或直接二极管激光更容易被普通的透明聚合物吸收。传统的1 µm激光器光束穿过聚合物，只能加热到金属表面，在聚合物内部传导热量，最终将其熔化到金属上，焊接强度很差。

我们发现，先进行表面织构并使金属表面变暗，然后用1.9 μm光纤激光器的热量能够显著改善聚合物与金属的焊接强度。更长的波长可以直接对聚合物及从聚合物到金属表面传输热量。聚合物的直接导热与深色结状金属表面结合提供了理想的焊接条件。我们进行了聚合物与钛的焊接，密封性好，焊接强度高，在受到剪切力时才在聚合物层失效。

相比之下，省略了表面织构这一步骤的话，剪切力测试在聚合物到金属表面时就已失效，证明该情况下焊接的强度没有先采用表面织构再焊接的强度高。聚合物到金属的坚固又密封的焊接开拓了更大的设计与制造空间，已经引起从医疗设备到消费电子与低成本消费品等许许多多领域客户的兴趣。 

 

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结论

一种激光器或许已经很好，但两种或更多种激光器一起使用可能会有更好的效果。不同的光斑尺寸、脉宽甚至是波长的激光器可以在一种工艺中实现其中的任何一种激光器都无法达到的超级性能。多光束材料加工已经被迅速应用于汽车制造，但我们相信，这仅仅是个开始，这种趋势势不可挡。

作者：Toby Strite, Andreas Gusenko, Michael Grupp & Tony Hoult， IPG Photonics（来源：IPG光纤激光器）