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鍍鋅鋼板焊接

各種類型的鍍鋅鋼板被廣泛應用于汽車行業以及其它存在防腐要求的應用中，例如農業設備和建筑物。但在過去，因為鋅的沸點比鋼低得多，鍍鋅鋼板的零間隙搭接焊對激光焊接提出了挑戰。結果，當施加激光能量時，鋅會率先氣化，所產生的氣壓足以將熔融狀態的鋼吹散，導致焊縫不均，并形成需要隨后清洗的飛濺物。因為熔融并保持焊接熔孔所需的激光功率會使熔池湍動而不穩定，所以依靠單一焦斑是難以控制這一動態行為的。

通過使材料凹陷產生間隙，或者在金屬板之間添加墊片，可緩解這一問題，從而有足夠的空間(約0.1～0.5mm)使氣化的鋅以受控方式向匙孔的四周而非頂部排出。這種方法的一個主要難點在于當遇到具有復雜三維形狀的部件(如車門)時，很難保持薄板之間形成均勻的小間隙。用固定裝置將部件緊緊夾在一起就容易得多了。

鋁焊接

如今，電動汽車越來越受到消費者的歡迎，這些車輛所使用的鋰電池外殼需要進行焊接，因此衍生出越來越多的鋁焊接需求。具體而言，電池制造商必須將頂部焊接到殼體上，以便在構件的使用壽命期內保持氣密性。由于水會與鋰發生強烈反應，產生氣體和壓力，可能導致設備損壞，而這種密封可防止水分滲透，因而至關重要。此外，金屬顆粒(以及水分)會產生內漏電流，使電池發生短路，因此，避免焊接過程發生飛濺顯得十分重要。最后，焊縫必須具備足夠的機械強度以承受粗糙的處理，甚至是碰撞的沖擊。

由于電池壁很薄(<1mm)，鋁電池殼的密封傳統上采用激光傳導焊接完成。但使用傳導焊接很難達到足夠的熔融深度以產生足夠牢固的焊縫，并使孔隙率足夠低以防止水分侵入。但是，如果采用更高的激光功率來實現更深的熔透(熔孔)焊縫，會有殼體變形的風險，并且總是會引起一定程度的飛濺。

FL-ARM技術

過去一些用于消除光纖激光器加工某些特定材料時產生飛濺問題的方法包括：在壓力遠低于大氣壓(在毫巴范圍內)的工藝腔室內進行激光焊接，或大幅降低進給速率。但是，這些方法最終會降低加工能力，或造成消除光纖激光器固有優勢的實際困難。直到最近，還沒有一種技術能以非常精確地控制熔池動態的方式傳遞光纖激光器能量，支持目前已能達到的量產加工能力，并且簡便易行。

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。

在芬蘭坦佩雷市的相干( Coherent)應用實驗室，一項深入開發工作已經驗證了一種新的解決方案，可實現無飛濺的高速金屬加工，它是通過修改工件上激光焦斑的強度分布，使其顯著偏離傳統的單峰高斯分布來實現的。這項研究表明，由被另一個同心激光環環繞的中心高斯分布焦斑組成的光束，通常能成為一種有效的方法。

利用相干公司芬蘭工廠(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。該光纖采用傳統的圓形纖芯，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中，提供的最大總輸出功率可達到 2.5到10kW。無論具體配置如何，在所有情況下，整體光束分布(即中心和環形部分功率)可以根據需要獨立調整。此外，中心和環形光束分別采用獨立的閉環功率控制系統，這也確保了整體功率調節范圍內(標稱最大輸出功率的 1%到100%)的出色穩定性。纖芯和環形光束甚至可以獨立調制，重復頻率可高達 5kHz。

在這種布局中(圖1)，內部光束與外部光束之間的功率比實際上存在無限數量的組合。盡管如此，所有這些組合都大致上可分為幾種基礎配置。這些基本模式可進行調整，以提供廣泛的加工特性，從而以最優方式滿足各種應用的需求。

應用結果

經過調整的光束能在中心和環形位置輸出功率，而非形成傳統的單一激光光斑。焊接主要由環形光斑完成，其中焊接工藝又分為兩個步驟。首先，外環的前緣將工件預熱，而進行焊接所需的額外能量則由環形光斑的后緣提供。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，便可產生更大的熔池，由此降低材料中的溫度梯度。所有這些特點都有助于減少飛濺(圖2)。

圖2：橫截面顯示了1.25mm 厚鍍鋅鋼板上的焊縫，使用纖維激光器，板材間無間隙，進給速率為3.3 米/分鐘，傳統激光聚焦形成的焊縫存在空隙(a)，而采用FL-ARM 技術則可形成出色的無孔隙均勻焊縫(b)。

同時，中心焦斑能夠維持深熔孔(在比邊緣更低的溫度下)，以方便將熔融材料推向側面。這樣使得氣化的鋅很容易地通過中心排出，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。

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來調整光束方向，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，這種方法可以顯著簡化工藝流程。

在這種應用中，通過采用 FL-ARM 激光器成功進行深熔焊接，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。

圖3： 兩個1.6mm 厚的5000 系列鋁部件堆焊焊縫橫截面顯示深熔透，無孔隙或飛濺。

方法是有效的，因為環形光束的前緣將鋁的溫度提升到足夠高，以增加其在激光波長上的吸收能力。隨后，光束的中心產生深熔孔，由于經過預熱，熔孔非常穩定。環形光束的后緣對熔池提供充分支撐，讓氣體逸出。由于熔孔穩定，材料不易快速凝固，促使整個工藝更加一致，工藝窗口也更大。最終結果(圖3)是實現均勻一致的材料滲透和更高質量的無氣孔、無飛濺焊縫。

當前，盡管光纖激光器已廣泛用于多種工業加工領域，然而，沒有哪種單一產品能夠成為所有使用情況的最優選擇。這就是Coherent-Rofin 等激光器制造商開發出大量不同光纖激光器的原因所在。然后在此基礎之上，公司將這些產品與豐富的工藝知識相結合，以擴大其效用，提供更好的結果，例如減少飛濺、提高加工能力并降低用戶的生產成本。