雙光束技術(shù)是近年來(lái)激光加工領(lǐng)域最重要的進(jìn)步之一。雙光束技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)制造領(lǐng)域的影響尤為明顯，它可以對(duì)銅和鋁等高反射金屬以及具有挑戰(zhàn)性的異種材料組合進(jìn)行可靠的鎖孔焊接。使用傳統(tǒng)的單束光纖激光器焊接這些材料時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)飛濺、氣孔和穿透深度不一致等問(wèn)題。

雙光束技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最有效的形式是中央圓形 "核心光束"，周?chē)峭沫h(huán)形 "環(huán)形光束"。每個(gè)光束的功率都可以獨(dú)立調(diào)節(jié) - 在整個(gè) 0% 到 100% 的范圍內(nèi)均可調(diào)節(jié)。

要了解這種配置的優(yōu)點(diǎn)，必須認(rèn)識(shí)到穩(wěn)定的激光鎖孔焊接需要適當(dāng)平衡熔融金屬中的兩種對(duì)立力。

壓力：第一種力量是打開(kāi)和保持鎖孔的壓力。這種壓力是激光加熱表面和氣化金屬膨脹時(shí)產(chǎn)生的。

表面張力：第二種是熔融金屬中的表面張力和粘性力共同作用，使鑰匙孔閉合。

當(dāng)這兩種對(duì)立力的平衡受到破壞時(shí)，鑰匙孔就會(huì)發(fā)生振蕩、塌陷、夾氣或噴射出熔融金屬。

傳統(tǒng)激光焊接

IPG-AMB激光焊接

在雙光束激光焊接中，核心光束啟動(dòng)并保持焊接鎖孔，而環(huán)形光束則穩(wěn)定焊接熔池。具體地說(shuō)，環(huán)形光束溫和地預(yù)熱和熔化焊芯周?chē)牟牧稀＿@樣可以消除溫度梯度，使蒸汽穩(wěn)定排出，減少導(dǎo)致飛濺、塌陷或其他不穩(wěn)定的壓力峰值。通過(guò)這種方式，可以保持力的平衡。

讓鑰匙孔周?chē)３秩廴跔顟B(tài)還能讓材料流回其中。這樣，材料就能在凝固前更均勻地?cái)U(kuò)散。此外，環(huán)形梁的加熱可減緩冷卻和凝固速度，從而防止鋁產(chǎn)生熱裂紋。

環(huán)形光束預(yù)熔化還能增加銅對(duì)紅外線的吸收，從而提高工藝效率并進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定性。

這些效果結(jié)合在一起，幾乎消除了飛濺，提供了一致的穿透力，并產(chǎn)生了具有卓越機(jī)械強(qiáng)度的更平滑的接縫。雙光束激光器的焊接速度是單光束系統(tǒng)的十倍。

雙光束激光器的總輸出功率、環(huán)芯尺寸比和總光束尺寸有多種可能的組合。沒(méi)有通用的 "最佳 "配置 - 最佳激光參數(shù)始終取決于特定材料和加工要求。

對(duì)于焊接較厚母線（超過(guò) 2 毫米）的情況，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)深熔透和大而一致的焊接截面，以最大限度地減少電阻。有幾種不同的方法可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

這種配置可以將大量激光能量快速傳輸?shù)较鄬?duì)較大的焊接區(qū)域。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快。它能快速形成大截面焊縫。

但不利的一面是，如此快速地輸送所有這些能量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的熱影響區(qū)（HAZ）。這就增加了損壞附近熱敏部件或結(jié)構(gòu)（如端子后面的塑料部件）的可能性。

盡管總功率較低，但高光束質(zhì)量可使中心光束聚焦到更小的光斑上。這比使用多模光束通常能獲得更高的能量密度。

與總功率相同的低能量密度光束相比，高能量密度光束的穿透深度更深。此外，與多模激光器相比，單模激光器的光束輪廓在一段時(shí)間內(nèi)具有更高的一致性，從而可以更好地控制鎖孔并提高加工一致性。

因此，即使是銅和鋁等高反射率金屬，帶有單模核心光束的雙光束激光器也能快速啟動(dòng)焊接。同時(shí)，它還能快速達(dá)到所需的焊接穿透深度。由于更多的激光能量用于焊接材料，而不是加熱材料，因此可以最大限度地減少熱影響區(qū)。

單模中心光束還有另一個(gè)更微妙的優(yōu)點(diǎn)。更好的模式質(zhì)量 (M2) 意味著瑞利范圍的增加。這是聚焦光束保持近乎恒定光斑尺寸的距離。

由于聚焦點(diǎn)上下的光束尺寸變化不大，焊接過(guò)程對(duì)材料高度或厚度變化的敏感性大大降低。這意味著焊接過(guò)程的容差更大，焊接窗口更寬。這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)焊接環(huán)境中的產(chǎn)量影響巨大。

最后，需要指出的是，所有這些優(yōu)點(diǎn)都與激光模式質(zhì)量有關(guān)。隨著 M2 的減小（表明光束質(zhì)量的提高），所有這些優(yōu)點(diǎn)都會(huì)變得更加明顯。

當(dāng)然，使用單模芯梁焊接也有缺點(diǎn)。這樣會(huì)產(chǎn)生較窄的焊縫，這意味著需要較長(zhǎng)的焊接時(shí)間才能形成足夠大的總焊接截面。通常情況下，可以通過(guò)焊接圖案（如螺旋形）或進(jìn)行多個(gè)緊密間隔的短焊縫，而不是單個(gè)長(zhǎng)直焊縫來(lái)實(shí)現(xiàn)。

因此，在加工速度和焊接質(zhì)量之間存在明顯的折衷。多模式激光焊接速度更快，但會(huì)產(chǎn)生更大的熱影響區(qū)。單模激光焊接焊接給定截面需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但能最大限度地減少熱影響區(qū)，提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

電動(dòng)汽車(chē)電池模組可能包含數(shù)百個(gè)單獨(dú)的焊接點(diǎn)。一個(gè)有缺陷的連接可能會(huì)增加內(nèi)阻、降低電池組性能，甚至造成安全隱患。這意味著低至萬(wàn)分之一的缺陷率也會(huì)導(dǎo)致模組級(jí)故障頻發(fā)。因此，即使使用高可靠性的激光焊接系統(tǒng)，也必須進(jìn)行在線驗(yàn)證。

傳統(tǒng)上，大多數(shù)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都使用光電二極管傳感器來(lái)檢測(cè)焊縫上方熔池和等離子體羽流發(fā)出的光。然后將這些信號(hào)與存儲(chǔ)的已知良好焊縫的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。雖然這種方法可以揭示一般的工藝變化，但它實(shí)際上并不測(cè)量焊縫本身 - 只是測(cè)量發(fā)出的光與過(guò)去的平均值有何不同。

此外，由于信號(hào)取決于收集的光線而非真實(shí)的焊接幾何形狀，因此很容易受到無(wú)關(guān)因素的影響。表面反射率、光束對(duì)準(zhǔn)或聚焦位置的變化都會(huì)改變回光量，從而引發(fā)錯(cuò)誤讀數(shù)。更糟糕的是，穿透不足和穿透過(guò)度通常會(huì)產(chǎn)生幾乎相同的發(fā)射曲線。這種不確定性會(huì)導(dǎo)致不必要的廢品、返工以及實(shí)際焊接質(zhì)量的持續(xù)不確定性。

光學(xué)相干斷層掃描的開(kāi)發(fā)是為了直接測(cè)量真正的焊接深度（LDD實(shí)時(shí)焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）。LDD采用低功率、近紅外測(cè)量光束，通過(guò)與焊接激光相同的光學(xué)器件投射。這意味著它始終保持與加工光束完全對(duì)齊和同軸。

LDD光源發(fā)出的光進(jìn)入鑰匙孔，然后被反射回來(lái)。干涉測(cè)量法用于獲取到反射面的距離 - 在本例中就是鑰匙孔的底部。

對(duì)這種反射進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以微米級(jí)精度實(shí)時(shí)測(cè)量鎖孔深度。由于LDD是通過(guò)相干干涉進(jìn)行感應(yīng)，而不是依靠焊縫羽流的亮度或溫度，因此不受表面狀況、材料反射率或光束功率變化的影響。

LDD對(duì)于單模芯束焊接尤為重要。這種焊接會(huì)產(chǎn)生深、窄、高光譜比的鍵孔，大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)都很難進(jìn)入這些鍵孔。但LDD可以輕松探查只有幾十微米寬的鍵孔。因此，它非常適合測(cè)量對(duì)深度控制至關(guān)重要的厚母線的穿透情況。

LDD儀器的速度使制造商能夠?qū)崟r(shí)驗(yàn)證所進(jìn)行的每一次焊接?？梢粤⒓醋R(shí)別和標(biāo)記未充分滲透或過(guò)度滲透等情況。.

對(duì)于大批量電動(dòng)汽車(chē)電池生產(chǎn)而言，這意味著吞吐量的增加、產(chǎn)量的提高，以及對(duì)每個(gè)母線連接是否符合規(guī)格的更大信心。此外，存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)更高的可追溯性。

雙光束光纖激光器與實(shí)時(shí)在線LDD焊接深度測(cè)量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚母線可靠、經(jīng)濟(jì)高效的焊接。IPG能夠獨(dú)一無(wú)二地將這些技術(shù)結(jié)合起來(lái)，為您的特定焊接應(yīng)用提供最佳解決方案。

這是因?yàn)槲覀兲峁┝俗疃嗟碾p光束光纖激光器，同時(shí)還制造并集成了我們自己的基于LDD的激光焊接測(cè)量工具。這確保了始終如一的高數(shù)據(jù)質(zhì)量、穩(wěn)定性和操作可靠性。

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