從重工業(yè)到消費(fèi)電子產(chǎn)品行業(yè)，激光器都是一種不可或缺的材料加工工具。人們普遍將激光材料加工工藝視為是一種成熟的、能夠提高生產(chǎn)力的加工工藝，并不斷尋求將其拓展至新的應(yīng)用領(lǐng)域。最近，這種探索產(chǎn)生了一種在單一工件上，使用多條光束同時(shí)照射、每條光束都根據(jù)整個(gè)工藝而優(yōu)化過(guò)的有趣趨勢(shì)。
本文將著重介紹3種多光束激光加工應(yīng)用
首先，我們介紹三光點(diǎn)釬焊如何利用整體配合的光束對(duì)高強(qiáng)度的汽車材料焊接且外形美觀
接下來(lái)，高強(qiáng)鋼兩步焊接中激光清潔使激光焊接獲得良好的強(qiáng)度和一致性
最后，我們將了解激光金屬表面織構(gòu)如何使高強(qiáng)度高密封性的聚合物與金屬焊接在一起。這些意味著具有不同芯徑、脈寬甚至是波長(zhǎng)的多條光束相互配合可獲得前有未有的加工效率。
三光點(diǎn)釬焊
激光器的特性對(duì)于汽車行業(yè)很重要，是因?yàn)榧す夂附荧@得了更高的焊接強(qiáng)度而用的焊料最少，同時(shí)提高了安全性并更為經(jīng)濟(jì)。這主要是由于其焊接強(qiáng)度高、材料使用少，同時(shí)還提高安全性，使燃料減少。當(dāng)激光焊接普遍用于汽車生產(chǎn)制造時(shí)，人們更傾向于用更為美觀的工藝來(lái)滿足沿車頂和汽車內(nèi)部可見焊縫部位的生產(chǎn)需要。
與普通焊接相比，釬焊是一種無(wú)需熔化基材而進(jìn)行焊接的工藝。對(duì)于汽車應(yīng)用而言，激光能量熔化焊絲將2個(gè)鋼或者鋁合金表面無(wú)縫焊接在一起。汽車廠商需要在噴漆前進(jìn)行簡(jiǎn)單清理以實(shí)現(xiàn)真正無(wú)縫焊接的釬焊工藝。
電鍍低碳鋼釬焊的研究重點(diǎn)是焊接質(zhì)量及焊縫外觀。特別是留在鍍鋅層上的氧化物和污染物，它們是造成飛濺和邊緣粗糙的主要原因。對(duì)該領(lǐng)域的研究催生出一種新的三光點(diǎn)釬焊系統(tǒng)，沿鋼板邊緣的兩個(gè)引導(dǎo)光束，用于清理污染物并預(yù)熱鍍鋅層以改善浸潤(rùn)。緊隨其后的主光束則提供能量熔化Cu/Si釬料，將剛剛清理過(guò)邊緣表面的兩個(gè)鋼板無(wú)縫焊接，如圖1所示。
圖1 三光點(diǎn)釬焊示意圖。2個(gè)紅色德引導(dǎo)光束清理并預(yù)熱鋼板邊緣表面以改善浸潤(rùn)。緊隨其后的主光束則提供能量熔化Cu/Si釬料，將剛剛清理過(guò)邊緣表面的兩個(gè)鋼板無(wú)縫焊接。噴漆后，這些焊縫肉眼不可見。
三光點(diǎn)釬焊系統(tǒng)依賴于圖2所示的光纖技術(shù)的靈活性。將光纖激光器與3根芯徑不同的光纖耦合，通過(guò)1根光纜傳輸。在靠近工件的地方，傳輸光纖會(huì)按設(shè)計(jì)產(chǎn)生3光點(diǎn)光斑，使光斑較小的引導(dǎo)光束在主光束完成無(wú)飛濺的釬焊之前進(jìn)行預(yù)清理。
圖2 三纖芯三光點(diǎn)釬焊光路。特別設(shè)計(jì)的光路使具有不同芯徑的光纖通過(guò)一根操作光纖進(jìn)行傳輸，在釬焊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同尺寸的光斑。
為了更直觀地評(píng)估三光點(diǎn)釬焊的優(yōu)勢(shì)，我們用1.6 mm的CuSi3合金焊絲、3.5 kW的光纖激光釬焊主光束，以4.5 m/min的速度對(duì)厚度為0.8 mm的熱浸鋼板樣件進(jìn)行釬焊。在采用350 W引導(dǎo)光束在釬焊前對(duì)材料進(jìn)行預(yù)清理以后，更好的邊緣一致性和表面光潔度明顯可見（如圖3）。
圖3 單光點(diǎn)及三光點(diǎn)釬焊的對(duì)比。單光點(diǎn)（a）和三光點(diǎn)（b） 釬焊均使用Cu/Si釬料進(jìn)行釬焊。表面光潔度的改善和邊緣粗糙度的降低在三光點(diǎn)釬焊中很明顯。通過(guò)橫截面（c）可以看到三光點(diǎn)釬焊的一致性及焊接質(zhì)量。
三光點(diǎn)釬焊在1道工序中將焊前清理和釬焊相結(jié)合，大大降低了噴漆前對(duì)釬焊后道工序的要求。三光點(diǎn)釬焊完全可以在平面或者曲面上高速自動(dòng)化地獲得卓越的焊接強(qiáng)度和可重復(fù)性。汽車廠商逐漸采用他們更青睞的三光點(diǎn)釬焊用于對(duì)外觀有更高要求的鋼板焊接，以獲得最高的效率和最好的外觀。
高強(qiáng)鋼的兩步激光焊接
汽車廠商一直在尋求能生產(chǎn)更安全、更高效汽車的新型材料及焊接工藝。強(qiáng)度特別高的含硼高強(qiáng)鋼（HSS）因此進(jìn)入了汽車創(chuàng)新的范疇，在北美使用的汽車救生工具“救生顎”甚至因此對(duì)救生工具的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新界定。假設(shè)焊接技術(shù)無(wú)需變化，更高的強(qiáng)度意味著可以使用更少的材料減少車體的重量。在焊接高強(qiáng)鋼時(shí)，汽車廠商更傾向于激光焊接工藝。但早期嘗試使用激光焊接卻因?yàn)闊岢尚凸ば蛑惺褂肁lSi保護(hù)涂層問(wèn)題受阻。因?yàn)橛眉す夂附覣lSi涂層高強(qiáng)鋼時(shí)可能導(dǎo)致內(nèi)部鐵鋁金屬層脆裂。
無(wú)需再顧慮鐵鋁金屬層脆裂問(wèn)題，焊接區(qū)域的防腐涂層被清理以后會(huì)顯著提高高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量。圖4表示的是用一臺(tái)1 kW、脈寬為70ns的脈沖光纖激光器完整地清理AlSi涂層。激光器通過(guò)新型的方形操作光纖提供了高達(dá)100 mJ的脈沖能量（每mm2 的功率密度為7-10 J/cm2），以既精確又經(jīng)濟(jì)的10 m/min的速度，清理厚度為30 μm的AlSi涂層。然后再用近紅外的千瓦級(jí)連續(xù)（CW）光纖激光器完成焊接工序，使高強(qiáng)度、輕量化的拼焊板可以供應(yīng)給汽車制造行業(yè)。
圖4 高強(qiáng)鋼焊接時(shí)的AlSi涂層清理。具有高脈沖能量的光纖激光技術(shù)通過(guò)一根新型的方形光纖傳輸，高效清理AlSi涂層，獲得鋼材本體表面以強(qiáng)化焊接質(zhì)量
與采用2種具有不同芯徑的連續(xù)激光束的三光點(diǎn)釬焊不同，HSS 兩步焊接法先用高脈沖能量納秒級(jí)激光器激光燒蝕清理，然后再用高功率連續(xù)激光器焊接。我們接下來(lái)介紹的應(yīng)用實(shí)例也是用兩步操作，但是我們將其拓展至亞納秒級(jí)領(lǐng)域并采用了兩種不同波長(zhǎng)的激光器。
聚合物與金屬的焊接
焊接需要將兩邊基材在焊縫附近的區(qū)域熔化，這樣才能將兩者穩(wěn)定的焊接在一起。焊接在金屬與金屬、聚合物與聚合物之間用用的最為廣泛。由于聚合物與金屬的熔點(diǎn)極為不同，兩種材料之間進(jìn)行焊接不太可能。尋找聚合物與金屬之間的焊接方法依然是從消費(fèi)電子到醫(yī)療設(shè)備等許許多多的行業(yè)探索的熱門工藝。近期使用光纖激光技術(shù)兩步工藝為該問(wèn)題提供了解決方案，極具發(fā)展前景。
第一步，用一臺(tái)平均功率30 W、峰值功率400 kW的近紅外光纖激光器， 脈寬150 ps，進(jìn)行金屬表面織構(gòu)（如圖5a）。微觀研究顯示，激光照射熔化出納米級(jí)的表層，迅速形成精細(xì)的大表面積適合后道焊接工序的結(jié)狀結(jié)構(gòu)。這些織構(gòu)表面的重要之處在于他們可以形成于黑色金屬，甚至是銅等高反金屬（如圖5b）。資深的焊工知道，均勻的深色表面的工藝空間最大，因?yàn)榉瓷渎实淖兓瘯?huì)影響激光器在高反金屬上的能量閾值。
圖5 通過(guò)亞納秒光纖激光器進(jìn)行銅表面織構(gòu)。（a）使用亞納秒近紅外光纖激光器獲得的具有精結(jié)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)例（放大10,000倍）。（b）經(jīng)過(guò)織構(gòu)以后的銅表面變?yōu)橥昝赖暮谏蛊涑蔀楹笮蚣す饧庸さ睦硐胛阵w。
聚合物與金屬材料的焊接使用波長(zhǎng)為1.9 µm的摻銩連續(xù)光纖激光器。中紅外波長(zhǎng)遠(yuǎn)比近紅外或直接二極管激光更容易被普通的透明聚合物吸收。傳統(tǒng)的1 µm激光器光束穿過(guò)聚合物，只能加熱到金屬表面，在聚合物內(nèi)部傳導(dǎo)熱量，最終將其熔化到金屬上，焊接強(qiáng)度很差。
我們發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)行表面織構(gòu)并使金屬表面變暗，然后用1.9 μm光纖激光器的熱量能夠顯著改善聚合物與金屬的焊接強(qiáng)度。更長(zhǎng)的波長(zhǎng)可以直接對(duì)聚合物及從聚合物到金屬表面?zhèn)鬏敓崃?。聚合物的直接?dǎo)熱與深色結(jié)狀金屬表面結(jié)合提供了理想的焊接條件。我們進(jìn)行了聚合物與鈦的焊接，密封性好，焊接強(qiáng)度高，在受到剪切力時(shí)才在聚合物層失效。
相比之下，省略了表面織構(gòu)這一步驟的話，剪切力測(cè)試在聚合物到金屬表面時(shí)就已失效，證明該情況下焊接的強(qiáng)度沒有先采用表面織構(gòu)再焊接的強(qiáng)度高。聚合物到金屬的堅(jiān)固又密封的焊接開拓了更大的設(shè)計(jì)與制造空間，已經(jīng)引起從醫(yī)療設(shè)備到消費(fèi)電子與低成本消費(fèi)品等許許多多領(lǐng)域客戶的興趣。
結(jié) 論
一種激光器或許已經(jīng)很好，但兩種或更多種激光器一起使用可能會(huì)有更好的效果。不同的光斑尺寸、脈寬甚至是波長(zhǎng)的激光器可以在一種工藝中實(shí)現(xiàn)其中的任何一種激光器都無(wú)法達(dá)到的超級(jí)性能。多光束材料加工已經(jīng)被迅速應(yīng)用于汽車制造，但我們相信，這僅僅是個(gè)開始，這種趨勢(shì)勢(shì)不可擋。
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