如何改善光纤激光器的焊接质量和产量

来源:荣格国际工业激光商情    关键词:光纤激光器, 激光器焊接,    发布时间:2019-07-29

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光纤激光器用于焊接领域虽然已逾十年,但很多最终用户仍在寻找改善部件加工质量、提高产量以及降低加工成本之道。制造商越来越多地希望激光器或激光器系统供应商能够提供全面优化的解决方案,甚至可囊括面向特殊应用的特定“工艺配方”。

相干公司的 CleanWeld 净焊技术很好地体现了这一点;CleanWeld 是一套适用于光纤激光器焊接的综合方案,不仅可以减少高达 80% 的飞溅,还能最大程度避免出现裂纹,同时降低 孔隙率。在改善工艺一致性的同时,CleanWeld 在某些焊接工艺中,所使用的激光功率较往常下降了 40% 。下表汇总了针对光纤激光器在过去面对的具有挑战性的一些应用领域中 CleanWeld 能提供的具体优势。

CleanWeld 净焊技术将相干公司在多个不同技术领域的专业知识(包括光纤激光器、传输光纤、聚焦光学器件和加工头), 以及我们广泛的焊接工艺知识和内部应用开发能力熔于一炉,由此改善优化了加工效果。 CleanWeld 净焊技术实现精确管理激光器功率在特定情形中的应用方式,从而最大程度提高工艺可控性和稳定性,确保始终保持一致的卓越加工效果。

由于除了激光器之外,还有诸多因素会影响焊接工艺,因此上述所有能力缺一不可。在焊接加工过程中控制并尽可能提 高匙孔和熔池的稳定性是实现卓越加工效果的关键因素。然而 在实际加工过程中,实现这一目标需要改变包括聚焦激光光斑的能量分布和采用光束摆动在内的各种技术,同时还涉及对保护气体以及焊接过程中产生的蒸汽进行精确动态控制等诸多因素。CleanWeld 净焊技术可助您解决这些问题。

技术背景

在深熔焊过程中,激光聚焦会形成极高的功率密度,被激光聚焦的金属会气化,从而被熔池包围产生匙孔。由激光光束吸收产生的匙孔内的蒸汽压力会阻止熔池闭合。聚焦的激光光束和匙孔会沿焊接轨迹持续移动。

焊接质量由焊接加工过程中匙孔的稳定性决定。目的是在整个匙孔深度实现稳定的能量平衡,确保能量的均匀吸收,并且匙孔周围不会产生紊乱的熔池。这同时又可以保证焊接深度的一致性,更重要的是,能够极大程度地减少焊接工艺中的飞溅并降低孔隙率。

图 1. 简化的 ARM 光纤示意图以及聚焦激光光斑中可能出现的五种基本功率模式。

目前为止,借助光纤激光器技术实现焊接质量和可靠性已经成为了可能,但之所以在实际加工过程中效果不理想是因为光纤激光器固有的能量分布形式非常适合切割,但是不有助于提高焊接的稳定性。

事实上,可以通过优化多种工艺参数组合,进而对特定焊接工艺进行优化,这也正是 CleanWeld 净焊技术本质所在。其中最显而易见的因素应该是激光功率和聚焦激光光束的光斑的大小,以及激光能量分布。事实上,必须综合考虑这三个因素才能达到所需的效果,因为作用于工件的功率密度(而非总体功率)才是影响焊接结果的真正因素。此外,根据上聚焦位置也很关键 – 需要根据上层材料的厚度来进行优化在熔池动态对流过程中,精确控制激光强度分布(横向分布和深度分布)可以调整激光能量在匙孔中的吸收率(以及匙孔的后续形状和暂时稳定性)。这是因为激光强度分布会直接决定工件和匙孔中的温度梯度。

图 2. 未焊接的铜制定子

在传统工艺中,光纤激光器采用单一圆纤芯光纤,提供的实质上是单模或多模圆形光斑。现在,我们可以通过多种方法来实现更优化的激光能量分布。其中包括方形芯(或其他形状) 以及多芯光纤(例如由两个同心芯组成的光纤)。

然后,可以使用各种加工(聚焦)光学器件进一步调整或更改聚焦光斑的大小、形状和位置。此外,还可以借助功率放大、激光调制和光束移动技术(例如光束摆动)来调整工件表面指定位置上的有效功率,以及此功率的传输频率。

除了聚焦光学器件之外,激光焊接加工头也可以采用喷嘴来吹送工艺气体,以及清除持续产生的等离子体。尤其是可以使用某些辅助气体来稳定特定材料的加热温度以及保持熔池内的稳定。此外,还可以使用气刀来保护光学镜片,吹走焊接过程中产生的飞溅对所有相关因素进行优化后,我们得以向您提供完整且经济高效的 CleanWeld 解决方案,根据您的具体需求提供卓越的焊接质量和生产能力,而不仅仅只是一台只能提供一个额定输出功率 的激光器。

铝制电池盖板焊接

在电动汽车所用的锂电池生产中,其中一个关键步骤是焊接电池外壳。此焊接过程形成的气密封口必须能保证在部件的使用过程中不出问题。尤为重要的是,锂电池需要此密封来阻隔水分入渗,以防水会与锂元素发生剧烈反应,致使产生的气体和压力毁坏设备。此外,焊接工艺本身不能产生任何飞溅,因为金属颗粒(以及水分)会造成内部漏电流,致使电池短路。最后,焊缝必须具有足够高的机械强度,能耐受住粗暴处理,甚至要能够经受住碰撞的冲击。

在传统工艺中,由于电池壁很薄 (< 1 mm),这种铝电池壳体的密封是使用激光热传导焊接实现的。 然而,传导焊接的穿透力不足,焊接的孔隙率较高且强度也不够,无法阻隔水分渗入。但是, 使用更高的激光功率实现更深穿透(匙孔)的焊接有产生气孔的风险,会导致焊接强度不够,并且总是会存在一定程度的飞溅。

相干公司在经过大量研发工作后发现,要实现高速低飞溅的激光深熔焊,有一个解决方案就是使用 相干公司 HighLight ™ FLARM- 可调节环形光斑模式光纤激光器可让聚焦光纤激光光斑实现这种特殊配置。该激光器的传输光纤强化了传统的圆形纤芯, 外覆另一层环形截面的光纤纤芯。

HighLightFL-ARM 可调节环形光斑模式光纤激光器可提供 2。5kW-10kW 的输出功率。可根据需要单独调节中心和环形的功率,调节范围可从 1% 到 100%。纤芯和环形光束甚至可以独立调节,重复频率高达 5 kHz。

在这种布局中,内部光束与外部光束二者间的功率实际上有无限种可能的组合。然而,所有这些组合大致上均可分组为图中所示的配置。这些基本模式可以变化调整来提供广泛的工艺特性, 从而以最优方式满足各种应用的需求。

光纤激光器焊接铝材时,挑战之一在于材料对近红外线的吸收率相对较低。吸收率可能存在较小的不可预知的变化,这也会导致穿透深度发生变化,造成焊接不均匀。

为了解决这个问题,以及优化控制铝电池壳体匙孔焊接, FL-ARM 可调节环形光斑模式光纤激光器光束的中心和环形部分的光束功率均可配置。通过使用这种特殊的功率配置方法,光束前缘能够充分提高铝材温度,进而提高相应激光波长下的吸收率。 此外,光束中心部分会形成匙孔,而由于经过预热,匙孔相当稳定。 环形光束的后缘让熔池可以在足够长的时间内保持开放,使气体逸出。由于匙孔较为稳定,材料不会迅速重新凝固,因此整个加 工过程更加一致,工艺区间也更大。最终得到均匀一致的材料穿透,以及低飞溅,低孔隙率的更高质量的焊接。

“ 铜制发卡绕组 ” 焊接

将杆式铜制发卡绕组焊接到电机定子中是生产汽车电动马达的一个重要步骤。铜制发卡绕组(形状为“U”型,因此被称为“铜制发卡绕组”)代替传统电机中使用的线绕绕组。因为比金属丝硬得多,我们可以更精确地控制铜质发卡绕组在电机中的方向, 最终实现更大的热应力和更高的电机效率。

在组装过程中,首先会将各个铜制发卡绕组装载到定子槽中。然后,将相邻铜制发卡绕组的末端焊接在一起,实现电路连接;焊接整个电机后,像传统电机的绕组一样,所有发卡将形成一条较长的绞合导线。

这个过程的两个关键点是焊接必须保持铜制发卡绕组的机械定位精准,并且不没有任何杂质和颗粒物。铜制发卡绕组对齐非常重要,因为绕组形状准确将直接影响电机效率。如果存在瑕疵,绕组成品的阻力就会增大,这不仅会降低电效率,还可能会降低组件的机械强度。

相干公司研发了一种使用光纤激 光器来进行铜制发卡绕组焊接改善加工效果。基于标准 HighLight ™ 系列光纤激光器的工艺的第一个关键因素就是“光束摆动”的使用。尤其是在 这种情况下,我们可以有意缩小工件 表面上聚焦光束的大小,使其小于焊接区域的总面积。但是,整个区域可 以通过快速扫描(摆动)光斑的位置来进行覆盖。

正如 FL-ARM 可调节环形光斑模式光纤激光器,光束摆动的优势就是可以更精确地控制熔池的温度动态。具体而言,通过让光束反复快速地在工件上移动而不做停留,基本上能够以高度可控的方式(而不是一次输出所有功率)对工件实施预加热,在提高光束效率的同时也不会减少有效功率。与传统激光器焊接方法相比,FLARM 可调节环形光斑模式光纤激光器有助于稳定熔池,减少飞溅、避免瑕疵并降低焊接孔隙率。

相干公司还可提供改善激光焊接铜制发卡绕组加工效果的相关工具例如,激光焊接子系统包含可视系统来控制聚焦激光光束和铜质发卡绕组的位置。

动力总成组件焊接

由于光纤激光焊接过程中通常会产生飞溅,因此长期以来,汽车动力总成耦合组件焊接一直是光纤激光器的一大难点领域。飞溅污染是动力总成齿轮或轴承表面特别不能容忍的。此外,飞溅一般伴随有焊接孔隙(因为飞溅的材料可能会留下空隙或切口),会影响焊接质量、强度和一致性。

相干公司采用 CleanWeld 净焊技术证明采用光纤激光器已可消除大部分飞溅问题。具体改进措施包括优化多个加工因素(包括激光功率和供气喷嘴),其中关键因素来自 于传输光纤的正确选择。尤其是改变聚焦光束横截面单一圆形光斑可从根本上减少熔池内的紊流状况,进而减少飞溅。已有焊接样品可证明经过优化的光纤激光器焊接工艺的质量。

图 3. 动力总成齿轮的光纤激光器和 CO2 激光器焊接显示的结果在本质上相同,即深熔焊接的纵 横比合理且没有飞溅问题。这两种焊接都是在 3 米 / 分钟的馈送率下完成的。

图 3 显示在部件尺寸准确时,焊接接缝较窄(宽度小于 1 mm) (例如零空隙)。这样可以在更大程度上减少受热影响的区域和 变形。根部宽度大于 0。3 mm时与 CO2 激光器焊接效果近似。然而,由于部件存在误差,一些动力总成焊接应用需要填补空隙。 通过智能调整光学设置,采用飞溅和孔隙率极小的稳定焊接可以填补(无需填充焊丝)0。3 mm 以下的空隙(如图 4 所示)。

除了消除飞溅之外,在这种情况下使用的光纤激光器焊接参数还可以提高加工速度。事实上,利用此技术的一位汽车供应商表示,与以前的光纤激光器工艺相比,他们的产量增加 了 20%。

汽车挂件焊接

汽车挂件通常采用铝制材质,进而增加激光焊接的难度。 特别是在焊接的过程中,铝通常会因损失合金元素而有可能产 生“热裂”。 因此,需要向熔池中补充材料(一般是填充焊丝)。此外,因为飞溅产生的污染物会进入挂件(例如车门)中,因此有时会引起挂件出现问题。例如,一位制造商报告称飞溅材料进入门中并阻塞了排水孔。

图 4. CleanWeld 净焊技术在稳定性较佳的焊接工艺中无需填充焊丝即可填充焊接部件 0.3 mm 的空隙

针对这一问题,CleanWeld 净焊技术在优化了激光的能量分布。经过优化的光束形状可预先或在后期对部件进行加热,避免因部件快 速冷却而导致问题。 此外,这一解决方案还可以消除飞溅,并且无需填充焊丝。对激光功率分布做出细微调整之后的焊接效果如图 5 所示。部件 A 和 B 显示,通过调整光束强度横截面,不仅可以控制焊接深度,而且能保持焊接宽度的一致性。

图 5. 这两个平边焊接横截面显示稍微调整聚焦光斑强度分布对焊接效果产生的明显影响。在第一个样本 (A) 中,焊接不能很好地穿透到工件底部。稍微更改强度横截面后,提高了预热和后期加热效果,尽管馈送率同样为 5 米 / 分钟,但却能获得良好的焊接熔深。

图 6:横截面显示了板材之间没有间隙并且馈送率为 3.3 米 / 分钟前提下,使用光纤激光器产 生的 1.25 mm 厚镀锌钢板的焊接接缝。A) 传统的激光聚焦会产生带有空隙的接缝,而 B) FLARM 可调节环形光斑模式光纤激光器则显示均匀并且没有孔隙的焊接接缝的加工效果。

镀锌钢板的零间隙焊接

镀锌钢板是另外一种在汽车挂件以及车身中广泛应用的材料。由于这种材料在吸收激光能量时,较易挥发的锌会首先气化,因此零间隙焊接是焊接镀锌钢板的一大难题。 焊接过程中产生的气压会使液态金属喷射,不仅导致焊缝不一致,随后还会产生需要清除的飞溅物。这个问题的处理方法有两种,包括清理材料上缺陷,或者在板材之间添加垫片,从而留出足够的空间(大约 0.1 - 0.5 mm),让汽化锌能够以受控的方式排放到匙孔侧面,而非顶部。 但这种方法依然存在缺点。

应用实验证明,CleanWeld 净焊技术不必在板材之间留出空隙就能焊接镀锌钢板,大量激光功率再一次从光束中心散发到边缘。和焊接铝材相似,CleanWeld 净焊技术会对材料实施预加热和后续加热,同时可减少匙孔中心的压力。这使得锌气体更易通过中心排出,而不会产生任何飞溅, 即使零件间无间隙地夹在一起时也是如此。然而,值得注意的是,这种功率分布具有对称性,此外,由于环形光束是旋转对称的,所以无需跟随焊缝的方向调整光束方向。而在弧形或其他形状的部件上焊接时,焊缝的方向变化往往较为显著。因此, CleanWeld 可利用扫描振镜头大幅简化加工过程。

不锈钢型材焊接

不锈钢管是通过将扁平钢带的横截面锻成圆形,然后对对接位置进行焊接来形成闭合管材。焊缝形状、尺寸精度以及材料特征将能否对部件进行后续制造产生影响(例如折弯和折弧), 因此对焊接质量的要求非常苛刻,尤其在汽车应用中。

长期以来,型材焊接一直采用 CO2 激光器,至今仍以此作 为加工标准。这是因为 CO2 激光器可以实现卓越的焊缝质量以及较高的进给速率。尽管制造商希望转而采用光纤激光器,借此降低经营成本,但光纤激光器在生产效率方面一直无法达到预期效果。 飞溅问题是传统光纤激光器在型材焊接中产生的问题之一。

图 7. 不锈钢型材焊接的横截面、俯视图和仰视图

飞溅会造成大量材料的损耗和侧切口,降低焊缝的机械强度,同时会降低焊接质量和焊缝的一致性。之所以存在这种问题,原因通常在于不锈钢对近红外光纤激光器波长输出的吸收要强于更长的 CO2 激光波长。这种高吸收率导致材料加热更快,此外,这种加热局限在较小区域内,这两方面因素致使熔池中的材料变得紊乱。

采用相干公司 FL-ARM 可调节环形光斑模式光纤激光器或其他光束整形传输光纤来改变标准光纤激光器的功率分布来降低熔池的不稳定状况。这使得焊接加工的动态与传导焊接中的稳定条件类似,从而提高匙孔(深熔)焊接的纵深比。更重要的是, FL-ARM可调节环形光斑模式光纤激光器可满足如今市场需求(一 般是 8 米 / 分钟到 24-30 米 / 分钟之间,具体取决于厚度和材料) 实现高质量的加工效果。

总结

总之,随着光纤激光器技术愈加成熟,以及对工件上真正起作用的激光能量影响因素加深了解并予以控制,光纤激光器焊接效果改进指日可待。相干公司最新推出的 CleanWeld 净焊技术已经证实,通过更有效地利用现有光纤激光器,完全可以显著改善焊缝的几何结构、飞溅、裂纹和孔隙率问题以及工艺的稳定性。