动态光束激光技术， 为电动汽车制造提供解决方案

在过去几年里，激光焊接已经成为制造业的主流技术。从焊接单元到手持模型，激光焊接为OEM厂商和车间创造了效率。这项技术提供的高质量焊缝、快速的生产速度和减少的焊后加工，正吸引着制造商对激光焊接产生更多的兴趣。

与此同时，激光技术继续变得越来越复杂。以色列激光器制造商Civan Lasers公司处于这一发展的前沿。该公司获得了国际光学与光子学协会SPIE和光子学媒体颁发的2022年棱镜奖。该奖项颁发给了Civan Lasers公司的“OPA 6 Weld”激光器，这是一种7-14kW、单模连续的动态光束激光（DBL）技术，可在不带任何移动部件的情况下，以数百兆赫的速度调制光束形状。

先进的光束整形技术

该激光器使用光学相控阵相干光束合成，将多个单模激光束合并为更大的光束。每个激光器的光与远场中的其他光束重叠形成衍射图案，并允许实时操纵光束形状。相位调制器控制各个光束，可以调整产生的干涉图案，以最大化光束的光斑位置，并产生由光束运动内切的各种形状图案。

Civan Lasers公司应用实验室研究员Asaf Nissenbaum博士说：“其他光束整形方法主要与光束摆动有关。也就是说，你可以稍微波动光束导致局部转向，但这是通过机械的方式实现的。该技术的缺点是使用了振镜扫描仪，其最大工作频率和最大光束功率是有限的。此外，摆动运动轮廓也受到限制，而OPA6激光器可以实现更高的频率和更多的形状轮廓。”

此外，OPA6激光器还可以控制光束的形状频率、形状顺序和聚焦深度，以优化熔池流动以及任何激光材料加工应用的熔体凝固。该公司报告称，这种控制消除了气孔、飞溅和裂纹的形成，同时提高了焊接和增材制造应用中的进给速度。

可能的燃料电池答案

激光的运行速度和在飞行中改变光束的能力，正在引起行业对电动汽车（EV）燃料电池制造相关研究的兴趣。根据德国亚琛弗劳恩霍夫实验室（Fraunhofer Labs）的尤里卡项目（Eureka Project）的最新研究结果，该公司的激光器可以通过提高双极板焊接的进给速度，为汽车行业提供批量生产清洁能源发动机的技术解决方案。

高效生产燃料电池的挑战在于焊接数百微米的双极板。每个单元包含300至400块板，焊缝长度为3至6米。虽然行业可以通过一些方法提高焊接速度以满足需求，但将进给速度提高到0.5米/秒以上会导致焊接缺陷，使得零件出现故障和材料积压。包括Civan Lasers公司、德国弗劳恩霍夫实验室激光技术研究所（Fraunhofer ILT）和德国Smart Move GmbH在内的联合研究项目组一同推动尤里卡项目的进展，三方合作旨在利用Civan Lasers公司的动态光束激光技术解决这一焊接难题。

Nissenbaum谈到：“在激光焊接中，当焊接速度超过一个阀值时会出现一种常见的缺陷，即所谓的‘隆起’，即焊缝中周期性的隆起。这会引发孔隙率、一致性和未熔合等问题。这是燃料电池行业的一个关键问题。使用动态光束激光技术可以产生一系列光束形状，每一个形状都可以在微秒范围内解决焊接过程的不同问题，从而控制整个焊接过程。”

该研究的目标是将焊接速度增加到至少1m/s或者2m/s，同时创建质量一致的焊缝而不会出现隆起问题。Nissenbaum表示：“我们在其他材料上测试了这项技术后，看到了非常有希望的结果。我们需要知道的是如何做才能影响熔池，如何获得高质量的结果，这也是接下来研究的方向。”

焊接异种金属材料

Nissenbaum表示，该公司有兴趣在电动汽车市场上寻求更多的应用，因为激光焊接的速度和精度完全能使该技术与其他加工方式相竞争。他解释道：“一个巨大的潜在市场正在用激光工艺取代钎焊工艺。钎焊工艺的成本很昂贵而且需要大量电力。一些电动汽车的生产企业仍在使用钎焊，只是因为激光焊接没有达到他们想要的预期效果。”

“类似地，异种金属材料焊接是我们的技术应该非常有效的一个领域，”他继续说道，“我们可以为每种材料提供独特的处理方法，即当焊接不同材质的金属时，比方说它们的导热系数存在有一个数量级的差异，每一侧都需要调整以使整个焊缝相同。我们可以创建一个不对称的光束轮廓，使得需要更多功率的一侧获得更多的功率。在两者之间，焊接过程可以实现非常水平的焊接动态。”

附加的选项

最终，这一切都是关于锁孔和熔池管理。将这一原则应用于增材制造是显而易见的必然结果，这就是Civan Lasers公司还与Smart Move合作开发新的焊接和激光粉末床熔合增材制造技术的原因。Civan Lasers公司的激光头由Smart Move的激光扫描头控制，允许焊接和激光粉末床熔合用户随时更改光束形状和方向，从而能够在复杂几何结构中使用不对称的光束形状。

Civan Lasers公司首席执行官Eyal Shekel博士在一份新闻稿中表示：“我们的动态光束激光与最先进的扫描仪技术相结合，使焊接和激光粉末床熔合用户不仅可以提高焊接的进给速度和增材制造的速度，还可以实现以前无法实现的应用。”

Nissenbaum说：“有一个非常小的热输入和进料速率窗口，你可以使用它来获得增材制造产品所需的逐层一致性。我们正在处理在传导和锁孔之间获得正确焊缝轮廓的复杂性。波束成形有助于保持理想的熔深和解决飞溅问题，然后再扩大生产规模并解决速度的问题。”

加速研究

当前，Civan Lasers公司与多所大学合作，向更广泛的受众证明动态光束激光技术的潜在应用市场前景。斯图加特大学的斯特拉沃克研究所研究人员，将利用他们的高速X射线视频设备研究该公司的技术用于激光材料加工诊断。该系统将允许研究人员在激光焊接过程中观察熔池内部，进一步研究在工业焊接应用中使用动态光束激光技术提高小孔稳定性的可能性。

奥地利的TU Wien模拟了不同的光束形状是如何影响焊缝的，以及为什么某些光束形状比其他光束形状产生的效果更好。显而易见的是，激光的精细控制将继续影响整个行业，并提升和扩大激光焊接和增材制造的应用领域。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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