从生产锂离子电池到加工钣金件，新型激光焊接系统正在“突破”光吸收、光束控制、速度和编程灵活性方面的挑战。
Prima Power Laserdyne 的 SmartShield 喷嘴组件使用干净的压缩空气保护透镜盖玻片，同时提供保护气体以保护焊缝免受氧化。随着电动汽车需求的增加，蓝色激光器在执行重要的铜和金属焊接操作中脱颖而出红外 (IR) 光纤激光器无法处理的铝。这些电池以及先进的消费电子产品也需要采用新工艺连接异种金属。
工业激光器的功率在千瓦 (kW) 范围内不断增加，供应商越来越意识到需要将这些设备更无缝地集成到工业 4.0 生产操作中，具有更用户友好的功能。
Blue Light Special
Nuburu 的蓝色激光在金属加工，特别是铜焊接方面取得突破据该公司称，该系统很快就被认为超越了低吸收率红外激光相对低效的接合能力。锂离子电池是 Nuburu 的专长之一，但其蓝色激光器正在解决传统材料加工问题。
Nuburu Inc.（Centennial，CO）于 2015 年 4 月成立，并推出了其首款产品 AO-150 , 2017 年底。150 W、450 nm 直接二极管激光器因超加工速度以及焊接和光束质量的光子学创新而获得 SPIE 棱镜奖提名。
展示了 2 至Nuburu 的装置比红外光纤激光器快 10 倍，可以在铜中执行更清洁的焊接，因为它吸收了 65% 的 blue 波长与仅约 5% 的 IR 光相比。据该公司称，该装置在不锈钢、镍、钛、铝、黄铜和金等各种材料中的吸收率也提高了 3 到 20 倍。 “所有金属都吸收更多的蓝色元素，”联合创始人兼首席营销官 Jean-Michel Pelaprat 解释说。 “你需要更少的功率，因为你更有效地耦合波长，所以你有非常强的热传递。我们可以无飞溅地焊接这些金属，这意味着焊缝中没有气孔和缺陷。”
使用 IR 激光进行深孔焊接需要高峰值功率，从而在焊缝内部产生气化——因此产生气泡和气孔并削弱其机械强度和电气性能。 Pelaprat 说，Nuburu 已经生产出功率高达 600 W 的干净焊缝。蓝色激光器的连续波半导体功率是光纤耦合和光纤传输的，wi根据 Pelaprat 的说法，由氮化镓半导体的效率决定的大约 25% 的壁插效率，并有望最终超过光纤激光器的效率。
锂离子电池需要大量的传导和传导铜与铜、铝或不锈钢的锁眼焊接，以及分别用于阴极和阳极的铜箔和铝箔的焊接，IR 激光可以轻松切穿。通过产生没有气孔或其他缺陷的焊缝，蓝色激光生产意味着更低的电阻和更少的电池内部散热——并且没有危险的热点。蓝色激光还允许使用更薄的金属，从而提高电池的能量交换和能量密度。
Nuburu的150-W AO-150蓝色激光被铜吸收65%；铜仅吸收 5% 的红外光t.Nuburu 的激光器在汽车、航空航天、消费电子和医疗保健领域的储能应用之外得到了广泛应用。他们有能力切割、钎焊、包覆甚至“打印”吹制粉末，以增材制造航空航天部件或髋关节和膝关节植入物。该公司计划在今年晚些时候发布 AO-500，这是 AO-150 的 500-W 版本。
德国的 Laserline 也加入了蓝色激光趋势，它展示了 450-W 的原型Photonics West 的 nm 单元。 LDM 500-60blue 的额定功率为 500 W。据销售经理 Oleg Raykis 称，该公司将在计划于今年晚些时候或 2019 年初开始的系统销售之前与客户合作进行项目概念验证。
扩展工具箱
Laserline 以其为汽车钎焊提供的二极管激光系统而闻名，还展示了其 19 英寸（483 毫米）机架式 6 千瓦光纤传输单位，“最紧凑的吨据我们所知，他的市场，”Raykis 说。该系统基于公司的 LDM 平台，执行传导焊接、淬火和移动维修等经典操作。
他指出，大约两年前，汽车制造商开始从电镀锌钢转向热浸镀锌——引入使用传统的钎焊方法时会出现飞溅和粗糙的焊缝。 Laserline 的答案是将两个小光束和一个较大光斑组合在一起的多光斑模块。在生产中，两个小光束从材料表面烧蚀锌，然后放入铜硅线并用较大的光束熔化。光束之间的功率和距离是可调的，并且该装置可以改装成典型的 Laserline 激光系统。
进一步的探索表明，多光斑模块和 Laserline 的标准 OTS-5 光学器件可以协同工作以移动较大光束内三重光斑的两个较小光束，通过使用铝-ma 改善铝焊缝锰线代替铝硅线。 “这增加了焊缝的硬度，并使加工速度提高了约 20%，”Raykis 说。第一批系统正在 OEM 进行测试。
该公司还发现了其混合激光器的新用途，它允许三种模式：二极管、转换器以及转换器源和二极管源的组合使用。通常用于混合切割和退火或软化工艺，光束可以相互叠加以快速焊接铝，焊缝更光滑。
纳秒脉冲焊接，大约三年前由 Trumpf 旗下的 SPI 首创激光是将不同金属用于电子产品的另一种方式。 “这些金属的熔化温度和特性非常不同，”SPI 在 Photonics West 的销售副总裁 Richard Hendel 指出。 “使用此工艺，您不会创建可能受到脆性金属间化合物影响的传统焊池。”
结合高峰值功率和相对较短的脉冲，可以在铜和铝之间的小连接处产生机械粘附和电接触。 Hendel 说，虽然消费电子产品是 SPI 方法的重要用户，但电动汽车是一个崭露头角的机会。该过程从低功率光纤激光器（例如 70 W）开始。 “如果您尝试使用 CW 激光器进行相同的焊接，则需要 500 或 1000 W。” SPI 发布了一个 200 瓦的系统，将已经很短的周期时间缩短了一半。
“我们的 redENERGY 激光器的脉冲时间可以低至 3 纳秒，最高可达 2 微秒，”美国东部区域经理 Colin Nolan 补充道和巴西。 “如果可以用 1064 纳米光束完成，我们就可以做到。”
以前用绿色或紫外激光器执行的应用可以用 SPI 的激光器完成。 “去年我在 kapton 上进行微加工——这一直是绿色或 UV 应用。因为我可以将脉搏降至三纳秒，我加工它没有问题。我们正在学习一些以前无法做到的事情，例如加工聚合物材料。”
缩小差距
在寻求改善热传导和深焊缝熔深的过程中钣金应用方面，Trumpf（德国迪琴根和康涅狄格州法明顿）于 2017 年年中左右在北美推出了 FusionLine 焊接系统，“我们仍在探索该系统的用途，”销售工程师 Brett Thompson 说。
Trumpf 盘式激光器的这种光束传输选项允许制造商关闭比激光焊接通常允许的更大的间隙。通过结合两个光束直径范围（一个正常，一个大）和需要的焊丝，FusionLine 帮助原始设备制造商弥合传统焊接技术和激光焊接技术之间的另一个差距。
“我们有正常的焊接光束直径，并且然后是二次光束直径，”汤普森谈到这个过程时说。 “我们得到创造性地传输光束，因此我们可以使光斑尺寸比普通焊接光束大得多。”如果材料之间的间隙焊接失败并且零件被烧毁，FusionLine 允许用户将材料与大光束一起流动或在光束中非常热的点注入焊丝。
“这不仅仅是一个大光束，因为能量密度变低，这会成为问题，”Thompson 说。 “你会失去焊接速度，尤其是当你必须熔化焊丝时，这会将热量传递到零件，”导致脆性和变形。 FusionLine 创建了一个热中心，可在不影响焊接速度的情况下快速熔化必要的连接线。
目标是让钣金制造商直接从 TIG 或 MIG 焊接过渡到激光焊接，“无需执行很多开发工作，”他说。 FusionLine 有助于立即转换 tole例如，从 0.004 到 0.01 英寸（0.1016 到 254 毫米）。
“您不必使用 FusionLine 的电线，”Thompson 说。 “与仅使用正常光束直径相比，您可以在没有电线的情况下桥接更大的间隙。我们可以制造一个大得多的光束，以便将材料流动在一起。”
例如，在 2 毫米厚的材料上使用无导线的热传导工艺，“您可以获得比以往更高的焊接速度TIG，同时实现更美观的焊接，不需要任何返工。”焦点在金属板上方，热量从金属顶部传导到底部，形成一个半径。”同时，通过采用更积极的深熔工艺，“您可以看到 150-200 ipm [3810-5080 毫米/分钟] 的速度。”
此外，随着零件受到的热量减少，原始设备制造商可以使用更高碳和更高强度的钢来减少材料厚度。使用比 A36 等低等级钢贵 10% 的高等级钢材的制造商可以使用薄 40% 的材料。
具有高美学要求的行业的制造商可能会获得这些利益——例如，高端厨房设备的制造商。对于顶级范围，“客户对质量有一定的期望，手动打磨 TIG 焊缝并使半径看起来一致可能很困难。”激光焊接确保可重复的过程和相同的结果。
原始设备制造商和加工厂的最终价值主张是采用更高效的工具“而无需花费大量时间重新设计他们的产品以使其适用于激光焊接的传统限制，”Thompson 说。 FusionLine 提供的光束条件变化“完全集成且无缝”，并且可以通过编程在纳秒内打开和关闭。
SPI Lasers 的新型 redENERGY 200 W 风冷光纤激光器，以及采用 SPI 纳秒脉冲方法的异种金属焊接样品。每个金属带 (0.3 mm) 焊接到不锈钢盘 (1.2 mm) .感受功率
更高功率的激光器提供了激光焊接的新方法。根据 Prima Power Laserdyne LLC（明尼苏达州尚普林）应用工程和技术开发高级经理 Mohammed Naeem 的说法，多千瓦激光器焊接“是工业激光材料加工增长最快的应用之一。它正在取代传统的焊接工艺，并使围绕激光焊接能力设计的部件的新设计成为可能。主要的挑战是开发稳健的工艺，利用高功率激光器。”
为此，Laserdyne i正在开发气体保护、羽流减少和光束整形方法，以及使用扫描头和填充材料的焊接技术。该公司的 SmartTechniques 解决方案套件——尤其是 SmartRamp 和 SmartShield——增强了其 2D 和 3D 系统的能力。
更具体地说，SmartTechniques 是“通过最近的硬件和软件开发实现的独家处理技术，可实现先进的集成控制Laserdyne S94P 控制中的激光、运动、过程气体和过程传感器，”Naeem 解释说。
为了防止焊接缺陷，Laserdyne 的 SmartRamp 焊接轮廓控制“最大限度地减少了由焊接端点缺陷触发的后处理检查——凹陷/焊道底切、孔隙率——并消除了焊缝末端的手动返工，”他说。这对于关键部件至关重要，尤其是在航空发动机中，焊缝底部填充或底切是不可接受的。
M与此同时，SmartShield 激光焊接和聚焦光学保护模块“包括一个带交叉喷嘴的喷嘴组件，它使用压缩车间空气来保护镜头保护盖玻片，同时提供氮气或氩气等保护气体以防止焊缝氧化。 ”
与其他交叉喷射焊头不同，Naeem 说，“用于交叉喷射和焊接保护的气体不会与 SmartShield 混合”。 “交叉喷嘴可与整个系列的保护气体输送装置一起使用，包括焊靴和同轴气体喷嘴头。可以快速更换聚焦透镜和保护气体组件以改变聚焦点大小。这允许焊接难以屏蔽的材料，例如用于航空航天应用的镍和钛合金。”
