適合挑戰性應用的創新型光纖激光技術

■ Jarno Kangastupa

光纖激光器雖已廣泛用于金屬焊接與切割領域，但業界仍在不斷努力拓展光纖激光器的功能，改善其在制品質量、產量和加工成本方面的優勢。相干公司近期取得的突破之一即成功研發了可調節環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用領域取代了CO2激光器，但并不是所有情況下都具有優勢。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面切口，從而降低了焊縫的機械強度和質量。之所以存在這種問題，原因通常在于大多數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。這種高吸收率會導致材料更快被加熱，而這種加熱被限制在較小區域內，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效率，要么在實際應用方面存在困難，并且犧牲了光纖激光器固有的優勢。

FL—ARM 技術

相干激光公司位于芬蘭坦佩雷的應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，使之明顯區別于傳統的單峰高斯分布，即可實現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形分布的光束，同心環繞在一個中心由高斯分布構成的光束是有效的途徑。

利用相干激光公司工廠（前Corelase公司）開發出的 FL—ARM 環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實。該光纖采用傳統圓形纖芯，外覆另一層環形截面的光纖纖芯。

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（即中心和環形部分功率）均可按需獨立調整。中心和環形光束分別采用獨立的閉環功率控制系統，這也能確保整體功率調節范圍內（標稱最大輸出功率的 1%~100%）的出色穩定性。纖芯和環形光束甚至可以獨立調制，重復頻率高達 5kHz。

在這種布局中，內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配置（見圖1）。這些基本模式可進行調整來提供廣泛的工藝特性，從而以最優方式滿足各種應用的需求。我們下面研究一些實際應用，這將有助于我們充分理解特定情況下通過 FL—ARM實現的顯著工藝改進。

焊接鍍鋅鋼

用于汽車車身和其他應用的鍍鋅鋼需實現零間隙搭接焊，這對激光焊接提出了挑戰。與鋼相比，鋅的沸點較低，這意味著鋅會首先蒸發，所產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面，而非頂部。但是，如果部件具有三維的復雜形狀（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。經過調整的光束能在中心和環形位置輸出功率，而不會形成傳統的單一激光光斑。焊接主要由環形光斑完成，其中整個焊接工藝又分為兩個步驟。首先，外環前沿會預熱工件，而執行焊接所需的額外能量則由環形光斑的后側部分提供。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域，即可產生更大的熔池，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，可見該焊縫表現出優異的均勻性和無孔特性。

此外，由于環形光束是旋轉對稱的，所以無需跟隨焊縫的方向調整光束方向，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。較小且不可預測的吸收率變化可能會導致熔深發生變化，進而造成多氣孔和駝峰狀等焊接缺陷。

在汽車行業中，一個主要應用是焊接電動汽車中使用的動力電池。在傳統工藝中，由于電池壁很薄（＜1mm），這種鋁制電池殼體的密封是使用激光傳導焊接實現的。然而，傳統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更深穿透（匙孔）的焊接會使殼體變形，并且幾乎總是會導致一定程度的飛濺。

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

結語

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