從生產(chǎn)鋰離子電池到鈑金件加工，新的激光焊接系統(tǒng)在光吸收、光束控制、速度和編程的靈活性等方面都取得了突破性進(jìn)展。

Prima Power Laserdyne的智能防護(hù)噴嘴組件使用清潔的壓縮空氣來(lái)保護(hù)鏡頭蓋滑軌，同時(shí)提供保護(hù)氣體來(lái)確保焊縫免受氧化。

伴隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，藍(lán)光激光在紅外光纖激光無(wú)法完成的關(guān)鍵部件的銅鋁焊接作業(yè)中脫穎而出。動(dòng)力電池和其他先進(jìn)的消費(fèi)類電子產(chǎn)品一樣，需要采用新穎的工藝來(lái)連接不同的金屬。

工業(yè)激光器將繼續(xù)在千瓦的高功率范圍不斷發(fā)展，而供應(yīng)商也越來(lái)越意識(shí)到：需要開(kāi)發(fā)更加人性化的功能，來(lái)把這些設(shè)備無(wú)縫地集成到工業(yè)4.0的生產(chǎn)系統(tǒng)中。

特殊的藍(lán)光

Nuburu公司的藍(lán)光系統(tǒng)已經(jīng)在金屬加工領(lǐng)域，特別是銅的焊接方面取得了突破性進(jìn)展，并且迅速超越紅外激光器相對(duì)較低的焊接能力，得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。鋰離子電池的焊接是Nuburu的技術(shù)特色之一，但Nuburu的藍(lán)光激光技術(shù)才是解決傳統(tǒng)材料加工問(wèn)題的關(guān)鍵。

Nuburu Inc，作為一家百年企業(yè)，于2015年4月啟動(dòng)研發(fā)計(jì)劃、并于2017年底推出了其首款產(chǎn)品AO-150，這是一款主參數(shù)為150W、450nm的直接二極管激光器。該產(chǎn)品因其新穎的光子學(xué)創(chuàng)新而獲得SPIE棱鏡獎(jiǎng)的提名，該獎(jiǎng)項(xiàng)一般授予在超處理速度、焊接和光束質(zhì)量等光子學(xué)方面具有重大創(chuàng)新的產(chǎn)品和企業(yè)。

Nuburu的設(shè)備顯示出了比紅外光纖激光器快2至10倍的處理速度，因?yàn)槠湮�收�?5%的藍(lán)光波長(zhǎng)，而紅外光纖激光器則僅吸收了5%的紅外光，因此Nuburu的設(shè)備可以在銅上進(jìn)行更清潔的焊接。據(jù)該公司稱，該裝置在不銹鋼、鎳、鈦、鋁、黃銅和金等材料的加工上，吸收率也要比常規(guī)高出三至二十倍。“所有金屬在藍(lán)光范圍的吸收率都很高，”公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席營(yíng)銷和銷售官Jean-Michel Pelapra表示，“因?yàn)樗{(lán)光可以更有效地耦合波長(zhǎng)，所以加工所需要的能量要少得多，傳熱能力卻非常強(qiáng)，可以無(wú)飛濺焊接金屬，讓焊縫中沒(méi)有孔隙，也沒(méi)有缺陷。”

用紅外激光來(lái)進(jìn)行鎖孔焊接需要很高的峰值功率，焊接過(guò)程中常常會(huì)產(chǎn)生因汽化反應(yīng)導(dǎo)致的氣泡和氣孔，從而削弱焊接的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能。而Nuburu高達(dá)600瓦的清潔焊機(jī)解決了這一問(wèn)題，Pelaprat解釋道：“藍(lán)光激光的連續(xù)波半導(dǎo)體能量是由光纖耦合，并通過(guò)光纖傳送的，其光電轉(zhuǎn)化效率約為25%，具體數(shù)值取決于氮化鎵半導(dǎo)體的性能，這將有望在效率上最終超過(guò)光纖激光器。”

鋰離子電池需要大量的銅與銅、鋁或不銹鋼之間的導(dǎo)電焊接、鎖孔焊接，此外還需要把銅和鋁箔分別焊接在陰極和陽(yáng)極上。紅外激光在加工過(guò)程中時(shí)常產(chǎn)生裂縫，造成加工問(wèn)題。藍(lán)光焊接后的無(wú)氣孔及其他缺陷的焊縫，意味著使用藍(lán)光焊接加工的電池內(nèi)部的電阻更低，熱力消散更少，并且不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的熱點(diǎn)，同時(shí)讓使用更薄的金屬成為可能，從而改善了電池的能量交換和能量密度。

Nuburu生產(chǎn)的150W AO-150藍(lán)光被銅吸收的比率為65％，而紅外光吸收率僅5%。

除汽車、航空航天、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和醫(yī)療保健領(lǐng)域的儲(chǔ)能應(yīng)用以外，Nuburu激光器還正在尋找其他適合的應(yīng)用領(lǐng)域。AO-150具有切割，釬焊，包覆甚至“打印”吹制粉末的能力，該功能可用于制造航空航天組件或髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物。該公司計(jì)劃在今年晚些時(shí)候發(fā)布AO-500，即AO-150的500W版本。

德國(guó)的Laserline公司也加入了藍(lán)光焊接的潮流，Laserline在美國(guó)西部光電展上就展示了一臺(tái)450nm激光器的原型機(jī)。Laserline的LDM 500-60blue藍(lán)光激光器額定功率為500 W。該公司銷售經(jīng)理Oleg Raykis表示，L aserline打算在開(kāi)始執(zhí)行系統(tǒng)的銷售計(jì)劃之前，將與客戶合作進(jìn)行項(xiàng)目概念的驗(yàn)證。

功能拓展

Laserline以為汽車釬焊提供的二極管激光系統(tǒng)而在業(yè)內(nèi)聞名，該公司還展示了用其19英寸（483mm）機(jī)架安裝6kW光纖傳輸單元。Raykis稱：“據(jù)我們所知，這是市場(chǎng)上最緊湊的光纖傳輸單元，”該系統(tǒng)基于 Laserline LDM平臺(tái)，結(jié)合了經(jīng)典的傳導(dǎo)焊接、硬化和移動(dòng)維修功能。

Raykis還指出，大約兩年前，汽車制造商開(kāi)始從電鍍鋅鋼轉(zhuǎn)向熱浸鍍鋅，原因是在使用傳統(tǒng)的釬焊方法時(shí)會(huì)產(chǎn)生飛濺和粗糙的焊縫。Laserline的解決方案是使用多光斑模塊，該模塊將兩個(gè)小光束和一個(gè)大光點(diǎn)結(jié)合在一起。在生產(chǎn)過(guò)程中，這兩束小光束先從材料表面去除鋅，然后再與大光束一起熔化鋪設(shè)的銅硅線。光束之間的功率和距離可調(diào)，并且該裝置還可以改裝為經(jīng)典的Laserline激光系統(tǒng)。

進(jìn)一步的研究表明：多點(diǎn)模塊和Laserline的標(biāo)準(zhǔn)OTS-5光學(xué)器件可以協(xié)同工作，從而可以在較大光束中移動(dòng)三點(diǎn)中的兩個(gè)較小光束，并通過(guò)使用鋁錳絲代替鋁硅絲來(lái)改善鋁焊縫 。“這增加了焊縫的硬度，使加工速度提高了20%，”Raykis介紹。目前首批系統(tǒng)正在OEM工廠進(jìn)行測(cè)試。

該公司還發(fā)現(xiàn)了其混合激光器的一種新用途，它能實(shí)現(xiàn)三種模式：二極管、轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器源跟二極管源的組合使用。這些光束通常用于混合切削，退火或軟化工藝，這些工藝可以彼此疊加，以較平滑的焊縫快速焊接鋁。

納秒脈沖焊接技術(shù)，是大約三年前由通快（Trumpf）旗下的SPI Lasers品牌率先提出的另一種焊接電子產(chǎn)品中不同金屬的方法。“這些金屬的熔化溫度和性質(zhì)差異很大，”SPI的銷售副總裁Richard Hendel表示：“使用該工藝，不會(huì)產(chǎn)生脆性金屬間化合物的傳統(tǒng)熔池。”

將高峰值功率和相對(duì)較短的脈沖焊接在一起，可以在諸如銅和鋁之間的連接處形成機(jī)械粘附力和電接觸。Hendel表示，雖然消費(fèi)類電子產(chǎn)品是SPI的重要用戶，但電動(dòng)汽車將是一個(gè)新興的市場(chǎng)。該市場(chǎng)起始于低功率光纖激光器（約70W），“如果嘗試用連續(xù)波激光器焊接同樣的焊縫，則需要500W，甚至1000 W的功率。SPI已經(jīng)發(fā)布了一個(gè)200W的系統(tǒng)，將本來(lái)就很短的節(jié)拍又縮短了一半。

“我們的redENERGY激光器可產(chǎn)生3納秒至2微秒的脈沖”，SPI的美國(guó)和巴西東部地區(qū)經(jīng)理Colin Nolan補(bǔ)充道。“如果可以用1064nm的光束實(shí)現(xiàn)的話，那我們就可以做到。”

以前需要使用綠色或紫外線激光器執(zhí)行的應(yīng)用程序現(xiàn)在可以使用SPI的激光器完成。“去年我在卡普頓（kapton）進(jìn)行了微加工，之前這一直是綠色或紫外線激光器的應(yīng)用范圍。但是我可以將脈沖降到3納秒，加工起來(lái)就能毫不費(fèi)力。所以我們正在研究一些以前無(wú)法完成的事情，比如聚合材料的加工。”

縮小差距

為了提高鈑金應(yīng)用中的導(dǎo)熱性和深熔焊深度，通快公司于2017年中左右在北美推出了命名為FusionLine的焊接系統(tǒng)，“我們?nèi)栽谔剿髟撓到y(tǒng)的更多用途”，銷售工程師Brett Thompson表示。

通快碟片激光器的光束傳輸選項(xiàng)，讓制造商能夠應(yīng)對(duì)那些大于常規(guī)激光實(shí)現(xiàn)范圍的焊接間隙。通過(guò)將兩個(gè)光束直徑范圍（一個(gè)正常的和一個(gè)較大的光束）和所需的焊絲結(jié)合起來(lái)，F(xiàn)usionLine系統(tǒng)幫助OEM公司彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接技術(shù)與激光焊接技術(shù)之間的另一個(gè)空白。

“我們有正常的焊接束直徑，然后是次級(jí)束直徑。”Thompson談到該工藝時(shí)說(shuō)，“我們?cè)诠馐�的傳送方面越�?lái)越有創(chuàng)意，因此我們可以使光點(diǎn)尺寸遠(yuǎn)大于普通的焊接光束。”在焊接失敗的情況下，如果零件被燒毀，F(xiàn)usionLine系統(tǒng)可以讓用戶的焊材(隨大光束一起流動(dòng)，或者在光束中熱點(diǎn)位置注入焊絲。

SPI Lasers推出的redENERGY 200W風(fēng)冷光纖激光器

“它不僅僅光束變大，如果光束能量密度變低了，則會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題”，Thompson舉例：“例如您會(huì)失去焊接速度，尤其是當(dāng)必須熔化焊絲時(shí)，會(huì)將熱量傳遞到零件上，導(dǎo)致脆性和變形。”FusionLine系統(tǒng)則是創(chuàng)建了一個(gè)熱源中心，該中心可以快速熔化必要的連接線而不會(huì)影響焊接速度。

“我們的目標(biāo)是讓鈑金制造商直接從TIG或MIG焊接過(guò)渡到激光焊接，免去進(jìn)行大量開(kāi)發(fā)工作。”他表示。FusionLine有助于立即將公差從0.004轉(zhuǎn)換為0.01″（0.1016–254mm）。

“在FusionLine上不必使用線材。”Thompson講道，“你可以在沒(méi)有金屬絲的情況下橋接更大的縫隙，而且這比只用正常的光束直徑要大得多。我們可以制造出更大的光束，把不同的材料焊接在一起。”

使用不帶導(dǎo)線的導(dǎo)熱工藝，例如針對(duì)2mm厚的材料的加工，Thompson 說(shuō)到，“通快可以實(shí)現(xiàn)比TIG更高的焊接速度，同時(shí)獲得更美觀的焊縫，且無(wú)需進(jìn)行任何返工。”FusionLine的焦點(diǎn)在金屬薄片的上方，熱量從金屬的頂部傳導(dǎo)到底部，形成一個(gè)圓形。同時(shí)，通過(guò)采用更進(jìn)一步的深層滲透工藝，Thompson表示：“您可以看到150-200 ipm [3810-5080 mm/min]的焊接速度。”

此外，由于零件受熱較少，OEM公司可以使用高碳和高強(qiáng)度的鋼材來(lái)減少材料厚度。制造商可以使用比A36等低檔鋼材貴10%的優(yōu)質(zhì)鋼材，從而減少40%的材料厚度。

對(duì)于外觀美學(xué)要求比較高的行業(yè)，例如高端廚房設(shè)備，制造商們可能會(huì)因FusionLine獲得較大收益。針對(duì)頂級(jí)的產(chǎn)品系列，Thompson認(rèn)為：“這些行業(yè)的客戶對(duì)質(zhì)量有一定的期望，手工打磨TIG焊接并使半徑看起來(lái)一致是很困難的。而激光焊接將會(huì)確保工藝的可重復(fù)性和一致的優(yōu)質(zhì)結(jié)果。”

對(duì)于OEM和車間而言，最終價(jià)值取向是采用更高效的工具，Thompson談到，“可以免去花費(fèi)大量時(shí)間重新設(shè)計(jì)讓產(chǎn)品去適應(yīng)激光焊接要求。FusionLine所提供的改變光束方法是‘完全整合且無(wú)縫’的，并可被編程成在納秒范圍內(nèi)打開(kāi)和關(guān)閉的。”

感受力量

高功率激光器為激光焊接提供了新的方法。根據(jù)Prima Power Laserdyne LLC（位于：美國(guó)明尼蘇達(dá)州，錢伯納）的應(yīng)用工程和技術(shù)開(kāi)發(fā)高級(jí)經(jīng)理Mohammed Naeem表示，“多千瓦激光焊接是工業(yè)激光材料加工中增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。它正在取代傳統(tǒng)的焊接工藝，圍繞激光焊接能力的提升開(kāi)發(fā)新的設(shè)計(jì)。這里主要的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)利用高功率激光的穩(wěn)健方法。”

為此，Laserdyne正在開(kāi)發(fā)氣體保護(hù)、減少羽流和光束成型的方法，還有具有掃描頭和填充材料的焊接技術(shù)。該公司的SmartRamp和SmartShield智能技術(shù)解決方案套件，增強(qiáng)了其2D和3D系統(tǒng)的功能。

更具體的解釋，智能技術(shù)是“通過(guò)最新的硬件和軟件開(kāi)發(fā)而實(shí)現(xiàn)的專用處理技術(shù)，從而讓Laserdyne S94P在控制系統(tǒng)中對(duì)激光、運(yùn)動(dòng)、過(guò)程氣體和過(guò)程傳感器進(jìn)行先進(jìn)的集成控制”， Naeem解釋說(shuō)。

為了防止焊縫缺陷，Laserdyne的SmartRamp焊縫輪廓控制“很大程度上減少了由焊縫端點(diǎn)缺陷（凹陷/焊縫底切，氣孔）觸發(fā)的后處理檢查，并免去了焊縫末端的人工返工，”他表示。這些工藝對(duì)于關(guān)鍵部件至關(guān)重要：特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)于這些重要部件而言，焊縫底部不能產(chǎn)生填充或底切。

與此同時(shí)，SmartShield激光焊接和聚焦光學(xué)保護(hù)模塊是“附上了一個(gè)帶有交叉射流的噴嘴組件，該組件使用壓縮的車間空氣來(lái)保護(hù)透鏡保護(hù)蓋玻片，并提供保護(hù)氣體：如氮?dú)饣驓鍤�，從而保護(hù)焊縫免受氧化。”

Naeem表示，與其他交叉噴射焊接頭不同，“SmartShield不會(huì)將用于交叉噴射和焊接保護(hù)的氣體混合在一起”。該交叉噴射噴嘴可全程與保護(hù)氣體輸送裝置，包括焊靴和同軸氣體噴嘴頭一起使用。聚焦透鏡和保護(hù)氣體組件可以快速更換從而改變聚焦點(diǎn)的大小。這使得那些航空航天業(yè)的鎳和鈦合金材料的焊接加工也變得容易起來(lái)。”

作者：Geoff Giordano，LIA前通訊總監(jiān)