据悉，德国通快的研究人员报道了利用高功率激光器的动态光束整形提高发卡定子的生产率研究，为电动汽车行业创造机遇。相关研究以“Unlocking opportunities for the EV industry with beam shaping of high-power lasers”为题发表在《PhotonicsViews》上。

在全球向可持续交通转变的推动下，电动汽车（EV）行业正在经历前所未有的增长。激光焊接已成为该行业的一项重要技术，为降低生产成本、扩大新型电池和电动驱动技术的制造选择提供了一种便捷方式。虽然激光发展迅速，功率水平已达到24kW甚至更高，但在焊接过程中如何有效应用如此高的激光功率仍然是一项挑战。

这篇文章探讨了发卡焊接过程中可用激光功率与将其转化为更高生产率之间的差距。这些局限性，尤其是熔池动力学方面的局限性，阻碍了高激光功率潜力的充分发挥。为了应对这一挑战，研究人员探讨了创新的光束整形方法来克服这些限制，并在焊接过程中利用更高的激光功率。通过详细的演示，研究人员展示了如何应用新的光束整形技术使更高的激光功率在焊接中得到实用化，从而将生产率提高到前所未有的水平。这项研究不仅有助于优化电动汽车部件的激光焊接，还为先进制造技术的更广泛应用打开了大门。

在过去几年中，电动车行业从小型制造厂迅速发展为大规模制造厂。生产技术（如基于扫描仪的激光焊接）的进步促进了这一转变，使生产速度大大快于其他任何技术。电池和电动汽车生产的苛刻要求也加速了更高功率和亮度的激光源的开发，这反过来又增加了开发新应用来使用这些先进工具的必要性。光束整形是一种关键方法，它可以使用更大功率的激光，将加工极限推向更高水平，从而为提高生产率打开大门。下文将介绍发卡焊接的进步，以及如何通过调整光斑大小和激光束轮廓将焊接时间缩短2.5倍。

叠加激光束

焊接各种电池或电子驱动器的触点（主要由铝、铜和钢制成）需要一种输入热量低且焊缝内无气孔的低飞溅工艺。此外，熔融材料的渗透深度和体积应保持在最低水平。为满足这些要求，必须通过控制锁孔和周围熔池的形状和动态来稳定工艺。

针对这些特点，研究人员采用了一种通快BrightLine Weld的焊接方法，通过稳定锁孔来控制焊接过程。这是通过叠加两束激光（一束核心光束和一束环形光纤光束）来实现的。这将对锁孔和周围的熔池产生稳定影响。这一创新技术被广泛应用于涉及铜、铝和钢部件的各种应用中，例如电动汽车行业。

图1显示了焦平面上来自 TruDisk BrightLine Weld 激光源的叠加激光束的光束轮廓。 草图显示，两束光束叠加在一起，并被引入锁孔。因此，与没有环形光束的情况相比，锁孔开口呈圆锥形，这是加工过程中稳定的主要效果。这种现象不仅能形成稳定的锁孔，还能使表面附近的熔融材料显著增加。这两种效果对于减少飞溅和孔隙的形成都至关重要。

图 1 BrightLine Weld 对焊接过程的影响。激光束被耦合到内光纤芯和同轴环形光纤上。

表 1 实验配置

焊接结果

基于激光的发卡式焊接工艺是一项重大挑战，因为它要求精确快速的连接，同时最大限度地减少孔隙形成、热输入和飞溅。要防止不稳定性并实现发卡定子设计中的精确连接，就必须深入了解该工艺。与此同时，还需要保持较高的工艺效率，最大限度地减少材料损耗，优化周期时间，同时保持结构的完整性。具有2合1光纤导向功能的多模激光器主要用于焊接铜质发卡，激光功率高，质量要求严格。与其他高功率光束整形技术相比，通快的 BrightLine 焊接技术（可用于盘式激光器和光纤激光器）能够利用全部激光功率。用于光纤耦合的光学装置设计用于支持可互换光纤，并在保持光束质量完整性的同时集成多个光束输出。

图 2 BrightLine Weld用于调整纤芯和环形光纤之间功率分布的光楔。

为了解决短工艺时间和最小化飞溅和气孔的挑战，采用了BrightLine Weld技术，以确保坚固、导电的连接，与单独使用芯纤维的工艺相比，显著减少了气孔和飞溅(参见图3)。在焊接过程中，动态调整芯纤维和环纤维之间的激光功率分割比，提供了一种协同方法，将快速加工时间与减少气孔产生结合起来。在整个焊接过程中，激光功率在芯和环光纤之间交替进行，以优化结果。虽然飞溅减少了，但在这种工艺策略下，仍然可以观察到少量的飞溅。

图 3 TruDisk 8000多模激光器使用单芯、静态和动态 BrightLine Weld 过程的焊接性能比较。相应的飞溅和孔隙图像显示，动态 BrightLine 模式工艺的速度和质量都有所提高。

为了应对加工时间短、飞溅和气孔最小化的挑战，BrightLine Weld技术的应用确保了稳固的导电连接，与单独使用芯光纤的加工相比，显著减少了气孔和飞溅（参见图 3）。在焊接过程中，对芯光纤和环光纤之间的激光功率分配比例进行动态调整可提供一种协同方法，将快速加工时间与减少气孔生成相结合。在整个焊接过程中，纤芯和环形光纤之间的激光功率交替变化，以优化焊接效果。采用这种工艺策略后，虽然飞溅物有所减少，但仍可观察到少量飞溅物。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/phvs.202400017