復合激光與環(huán)形光斑差異化應用

復合激光和環(huán)形光斑當下都在鋰電領域得到大規(guī)模應用，具體各自的差異做個簡單總結，希望能夠啟發(fā)工藝、擴展到其他行業(yè)進行應用。

首先看光源和光路設計上的差異：

環(huán)形光斑：激光通過特制的光纖傳輸至激光頭，經(jīng)過準直鏡和聚焦鏡后，于工件表面形成相應尺寸的光斑，該特制光纖由內(nèi)外兩部分光纖組成，分別負責傳輸中心高斯激光和外環(huán)多模激光，外部為低功率密度的環(huán)形激光，內(nèi)部為高功率密度的圓形高斯激光，且中心激光和外環(huán)激光都能獨立調(diào)節(jié)功率，根據(jù)工藝要求任意搭配。在同等激光功率和外部條件下，中心高斯激光的功率要遠高于環(huán)激光的功率密度，因此，在可調(diào)環(huán)模式激光焊接過程中，高功率密度的中心激光主要用于產(chǎn)生匙孔而形成熔深，低功率密度的外部環(huán)激光主要用于穩(wěn)定匙孔和熔池，影響熔寬和外觀。

環(huán)形光斑可實現(xiàn)小光斑高能量密度的中心光束和較大環(huán)形光束任意組合搭配，芯徑可根據(jù)不同深寬比、不同能量密度、不同速度、不同表面質(zhì)量、不同間隙裝配要求等任意搭配，常見芯徑配比如圖。

圖片來自IPG官網(wǎng)

復合激光：通常是外光路去耦合，通過復合準直聚焦頭，使得光纖激光（1060-1080）與半導體激光（大光斑平頂光束-450/532/915）經(jīng)過不同光路從聚焦鏡頭重疊復合輸出，得到復合光束。實際使用時可以根據(jù)具體工藝要求任意搭配兩束激光，可選擇不同光纖芯徑、不同波段半導體激光進行搭配，多波長復合尤其適用于高反材料：銅、鋁等,常用芯徑比為20-400。兩束激光同軸分布且兩束激光的焦平面可以靈活調(diào)節(jié)，使產(chǎn)品焊后既具備半導體激光器焊接的光滑表面，又具備光纖激光器焊接的高深寬比。

圖片來自論文[1]

將半導體激光束與光纖激光束經(jīng)焊接頭外部耦合后，可以通過調(diào)節(jié)折射鏡片的位置角度對兩束激光同軸度以及焦平面進行靈活調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同的復合形式，如下圖所示。

紅色分別為半導體激光光斑和光纖激光光斑[2]

半導體激光與光纖激光熱源排列示意圖[2]

不同形式的熱源組合，實現(xiàn)不同熱輸入控制，可以抑制氣孔、裂紋等缺陷。

從應用上看差異：

環(huán)形光斑：主打低飛濺：環(huán)形光束打在匙孔周圍，導致金屬液體快速蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬蒸汽給到熔池一個向下的反作用力，下壓熔池開口，使得焊接過程熔池匙孔開口呈現(xiàn)“Y”型，從而抑制了熔池表面的播波動，降低了熔池波動蓋住匙孔，遮擋匙孔內(nèi)等離子體正常噴涌而出，從而降低飛濺發(fā)生概率，通過高速攝影研究發(fā)現(xiàn)，相比純光纖（高斯能量分布）激光，環(huán)形能夠將原來匙孔閉口時間占比由24%降到2%左右，匙孔閉合越少，飛濺發(fā)生幾率越低，能夠相比傳統(tǒng)高斯激光能降低92%以上的飛濺，尤其是杜絕了由大飛濺導致質(zhì)量損失而形成凹坑的缺陷[3]。

復合激光焊接：

主打多波復合：紅藍復合、915與1070復合、紅綠復合等，主要是結合半導體激光器的高吸收率預熱材料，從而實現(xiàn)對1070波長紅光的吸收率大幅上升，同時由于半導體激光的功率密度相較于光纖激光較小，可以實現(xiàn)將穩(wěn)定熱導焊與深熔焊相結合，實現(xiàn)高反合金（鋁、銅）的高效焊接，也同樣能夠實現(xiàn)低飛濺焊接。

圖片來自聯(lián)贏激光官網(wǎng)

激光復合焊示意圖[4]

復合焊與高斯激光匙孔形態(tài)對比圖[4]

激光之所以不穩(wěn)定的主要特征就是匙孔的不規(guī)則波動、不規(guī)則形態(tài)導致接收激光的吸收率時刻在波動，金屬蒸發(fā)量也時刻在波動，使得內(nèi)部受力平衡處于極端不穩(wěn)定狀態(tài)，從而造成諸如氣孔、飛濺等缺陷無法杜絕。從匙孔形態(tài)可知：復合激光焊接能夠穩(wěn)定時刻形態(tài)使得時刻呈現(xiàn)規(guī)則的上寬下窄的圓柱形態(tài)，時刻內(nèi)部波動程度極大降低，受力平衡趨于穩(wěn)定，焊接缺陷也得到極大抑制，直觀表現(xiàn)為低飛濺、平滑焊縫表面。

應用工況差異：

?環(huán)形光斑：光路設計緊湊、穩(wěn)定、調(diào)試簡單、內(nèi)外環(huán)芯經(jīng)搭配靈活，可實現(xiàn)超高速焊接，能夠匹配各種準直聚焦頭、振鏡。

復合激光：

?兩套激光光源外光路集成、成本可控、兩激光熱源焦平面、間距、排列形式可自由搭配，能夠對不等厚板、超薄搭接、高反合金等進行工藝調(diào)整；

?可搭配擺動頭實現(xiàn)半導體不動，光纖自由擺動，在熱源選擇與分布上更自由，可實現(xiàn)各種熱源分配適應各種特殊工藝；

?熱影響區(qū)更大，能量利用率更高，外觀光滑，對配合間隙要求低，降低氣孔率，降低裂紋敏感性上有很大空間

1. Zhao, Y., et al., Stability enhancement of molten pool and keyhole for 2195 AlLi alloy using fiber-diode laser hybrid welding.Journal of Manufacturing Processes, 2023. 85: p. 724-741.

2. Yang, H., et al., Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser.Journal of Laser Applications, 2021. 33(3): p. 032018.

3. Wang, L., X. Gao, and F. Kong, Keyhole dynamic status and spatter behavior during welding of stainless steel with adjustable-ring mode laser beam.Journal of Manufacturing Processes, 2022. 74: p. 201-219.

4. Zhan, X., et al., Microstructure characteristics and mechanical properties of fiber-diode hybrid laser welded 304 austenitic stainless steel.Materials Science and Engineering: A, 2022. 854: p. 143884.