近年来，激光焊接技术已广泛应用于国防、船舶、航空航天及医疗等行业，并且应用范围还在不断拓宽。工业界对激光焊接的质量要求越来越高，激光焊接在大功率、高速及高反材料焊接等条件下极易产生焊接飞溅。有效地控制激光焊接过程的飞溅缺陷，对于提升激光焊接质量、拓宽应用领域具有重要意义。点环光作为一种新型激光光束模式有望成为解决上述问题的有效手段，成为常规激光焊接的有效补充。点环最开始由美国相干公司大概在14年左右开发出有应用，然后在19年左右开始有一定量的进入市场，20年左右开始进入锂电行业，目前动力电池顶盖满焊正在大量采用这种新型激光加工技术进行焊接

点环激光实质上是可调环模激光，他可以实现内外环激光的独立输出。但是由于专利的问题，不同厂家也叫不同的名字。例如相干的ARM,IPG的AMB,通快的BrightLine Weld，宝辰星的MFMC等。如下所示是点环激光的光束形式和定义（图片来源IPG）

目前主流激光公司厂家推出点环激光设备主要通过以下方式实现点环光束模式的输出：同轴单光纤直接输出、激光器内置光纤耦合器输出、通过激光器内置集成光闸等。如TRUMPF的BrightLine weld就是采用“Bright Line”光纤为二合一激光光纤（LLK），能将激光功率灵活分配到二合一光纤的纤芯和环路，内层纤芯产生高质量的点光束；外层环芯产生辅助环形光，根据实际需要调整总激光功率及点环功率配比。两种点环光纤典型纤径分别为内层纤芯芯径100μm，外层环芯芯径为400μm及内层纤芯芯径50μm，外层环芯芯径为200μm。当然随着科学技术的进步，现在也演变到14-100μm，50-150μm，100-300μm等。

点环配比对铝合金激光焊接焊缝成形影响规律

一、总功率固定不同点环功率配比下的焊缝成形

通过测量焊缝上表面粗糙度结果，发现随着环光功率占比的逐步增加，焊缝上表面粗糙度显著下降，纯环光参数焊缝上表面相比纯点光焊缝，粗糙度下降了近 70%。

不同点环功率配比点环激光焊接接头纵截面表示在常规激光焊接条件下，焊缝上表面存在明显未填充焊接缺陷，沿焊接方向高低起伏较大；而随着环光加入，焊缝上表面逐渐平整，同时可观察到焊缝熔深随环光占比的增加而明显减小。

横截面的图形则表达了常规激光深熔焊接焊缝呈现典型的上宽下窄特征，而焊缝截面出现未填充现象说明在焊接过程中有较多熔融金属液滴飞出熔池，形成焊接飞溅。环形激光加入后，焊缝横截面上部未出现未填充现象，焊缝上部更为均匀，焊缝上部均匀性的提升也与上一节焊缝表面质量的提高结果一致。

值得一提的是：在点环功率配比为 66.7%点光（2kW 点光+1kW环光）50%点光（1.5kW点光+1.5kW环光）下，焊缝上部由宽到窄并未像常规激光焊接平滑过渡，而是存在明显的加宽转折点，即焊缝上部相比常规激光焊接进一步的加宽，整体呈“沙漏状”形貌。当环光功率超过点光功率时，焊缝形貌开始过渡到环形激光焊缝形貌。在点环功率配比为33.3%点光（1kW点光+2kW环光）时，焊缝两侧逐渐倾斜，焊缝底部呈现与常规激光不同的两侧非平行焊缝。而在纯环光下，焊缝形貌呈碗状，已经失去了常规激光深熔焊接的基本特征。

二、点光功率固定下点环能量配比对焊缝成形影响规律

根据不同点环配比参数下焊缝上表面的粗糙度 Rz值图的结果，环形激光加入起到降低焊缝上表面粗糙度的作用，有助于获得成形均匀性更优的焊缝上表面。在环光功率250W-750W参数下，焊缝上表面粗糙度有效降低，改善程度达到20%-30%。当环光功率进一步增加至1000W及1500W时，焊缝上表面粗糙度再次增加，改善效果降低。表面粗糙度的变化规律与前述焊缝宏观形貌变化规律相吻合。从焊缝上表面形貌观测结果来看，点光功率占比80%-90%间铝合金点环激光焊接焊缝获得了较好的焊缝成形效果。

点光功率固定不同点环功率配比下的焊缝纵截面结果表面，在焊缝纵截面中焊缝在纵向上深度基本保持稳定，因此认定用横截面数据提取的焊缝尺寸如熔宽、熔深等信息具有可信度。此外，在常规激光焊接及环光功率 500W、1000W 条件下焊缝纵截面出现了明显的气孔缺陷，未观察到点环光激光焊接对焊缝气孔明显的改善作用。

横截面的金相实验结果说明环光功率0-500W参数下，焊缝上部出现咬边、未填充等缺陷，以上缺陷的出现说明在焊接过程中出现了较多的质量损失，很可能导致焊缝接头性能下降，(a)-(c)所示。当环光功率过大（1000W-1500W），焊缝存在气孔等缺陷，(e)-(f)所示。在 750W环光功率下，焊缝无明显缺陷，横截面成形良好。通过焊缝横截面尺寸测定发现，当环光功率在 1000W 内时，焊缝熔深无明显差异；焊缝熔宽随环光功率的提升而逐步增加，最大熔宽增幅可达到 50%

铝合金点环激光焊接飞溅抑制机理

一、常规激光温度场及流场分布

如图为纯点光功率3kW，焊接速度 2m/min 工艺参数下采用数值模拟技术获取的焊接温度场、小孔开口直径及小孔深度等信息。其中图中所示红色区域为高于5083铝合金熔点（847K）区域，即为熔池区域。图中白色区域为高于 5083 铝合金沸点（2720K）区域，即为该时刻下匙孔表面入口。铝合金激光焊接表面熔池整体呈椭球状，匙孔前部熔池表面较为狭窄，长度仅有约 0.47mm；而匙孔后部熔池的液态金属无激光束直接作用，熔池表面较宽，熔池后部长度约为3.85mm。因此在匙孔前部区域存在较大的温度梯度，约为 750k/mm；而在熔池后部，温度梯度较为平缓，约为400K/mm。

图中红色区域温度高于5083铝合金熔点（847K）即为熔池区域。在焊接速度方向上，熔池后部液态金属流动区域较大，有利于液态金属的流动模式更为平稳；而垂直焊接速度方向，匙孔两侧液态金属流动区域十分狭窄，在液态金属从匙孔前部流动至后部熔池过程中，匙孔周围区域液态金属流动波动更为剧烈，焊接飞溅更容易生成。上述熔池液态金属流动特征导致在中低速激光焊接中，大部分焊接飞溅缺陷生成于匙孔前部而非匙孔后部。

常规激光焊接过程中匙孔存在深度及入口直径上存在相当剧烈的波动。匙孔深度的突变说明在焊接过程中匙孔出现了多次坍塌现象，匙孔闭合导致匙孔底部无法吸收激光能量，激光束集中于匙孔坍塌处，坍塌处液态金属蒸发使匙孔再次打开，使得激光能量再次集中于匙孔底部。常规激光焊接匙孔不稳定性使焊接飞溅、气孔等缺陷倾向增加，为探究匙孔不稳定性原因，提取了匙孔纵截面流场信息，如下图所示。

激光焊接过程中，匙孔后部熔融液态金属存在顺时针方向的涡流，在涡流强烈作用下，匙孔后部液态金属朝匙孔前壁方向横向流动，形成匙孔后壁驼峰凸起。随着激光束移动匙孔前方金属熔化并蒸发，在匙孔前壁处也会形成驼峰凸起，而在匙孔前壁区域，液态金属流动方向为向下流动，在涡流作用下前壁驼峰凸起逐渐向下移动。由于匙孔壁凸起的形成，激光束能量不再集中于匙孔底部而是集中于匙孔壁上的驼峰凸起处，在激光能量作用下，匙孔壁凸起液态金属迅速蒸发汽化。导致在熔池流动更加剧烈，匙孔入口较为狭窄。当匙孔壁驼峰凸起接触时便形成熔融金属液桥，导致匙孔发生闭合，导致激光束无法作用于匙孔底部。

总的来说常规激光焊接过程中熔池定向流动导致匙孔壁生成驼峰，由于5083铝合金本身材料特性及匙孔毛细不稳定性，匙孔更容易发生坍塌闭合现象。常规激光焊接匙孔的不稳定性及狭窄的匙孔入口是导致剧烈焊接飞溅现象的重要原因。

二、飞溅机理

图中红色区域部分代表该区域液态金属温度接近5083铝合金沸点（2720K）。在匙孔稳定时刻，熔池后部存在顺时针方向液态金属涡流；匙孔前部液态金属呈向下流动状态，匙孔前壁驼峰在流场作用下逐渐下沉至匙孔底部，如图 (a)所示。匙孔底部及匙孔壁驼峰区域液态金属温度已接近5083铝合金沸点，说明激光束能量集中作用于以上区域。当匙孔坍塌，激光束集中作用于匙孔闭合区域，该区域液态金属温度急剧升高至材料沸点，发生蒸发汽化。此时，熔池流动发生改变，匙孔前壁液态金属流动方向由向下流动变为向上流动；而熔池后部的液态金属涡流基本消失，熔池后部表面的液态金属也成向上流动趋势，如图(b)所示。随着匙孔顶部前后液态金属受到重定向流动及逸出金属蒸气作用，动量不断增大。当液态金属动量的竖直分量足以克服熔池表面张力时，液态金属脱离表面凸起形成焊接飞溅，如图(c)所示。而从横截面上看，匙孔两侧的液态金属也呈现向上流动的趋势，如图(d)所示。随着匙孔坍塌区域液态金属的蒸发汽化，闭合的匙孔再次被打开，激光束重新作用于匙孔底部。熔池后部重新呈顺时针涡流流动趋势，如此往复。

常规激光焊接飞溅形成过程流程及温度场分布

(a)匙孔稳定状态；(b)匙孔坍塌；(c)焊接飞溅产生；(d)匙孔横截面

三、点环激光焊接熔池行为及飞溅抑制机理

通过对比常规激光焊接与环光功率750W点环光激光焊接的表面温度场分布，在环光功率750W下，熔池后部564K-644K温度区间面积更大，整体温度梯度明显较常规激光更为平缓，如图所示。研究指出激光焊接后部熔池更大的相近温度区间面积意味着匙孔与固体金属之间的熔池区域更宽，促进了液态金属更为平稳顺利地流动，熔池表面更为稳定，有利于抑制焊接飞溅的形成。

不同激光设置下匙孔特征动态(a)匙孔深度；(b)匙孔入口直径

在750W环光功率下，匙孔深度波动控制在了1.5mm内，入口直径大小波动不超过200nm。统计结果表明，在环光功率750W下，匙孔尺寸在深度、入口直径上的波动明显小于常规激光焊接，稳定性得到了显著的提高。匙孔较好的稳定性是有效抑制焊接飞溅现象产生的有力保证。

下图为常规激光与点环激光焊接的流场对比，发现在常规激光焊接熔池表面产生凸起时，凸起内的液态金属整体只有向上流动的趋势，并未出现点环光激光焊接中的液态金属回流现象，导致液态金属脱离熔池最终产生焊接飞溅，如图 (a)(b)所示。在匙孔横截面的流场观察中，同样在点环光激光焊接条件下观察到了熔池表面的液态金属涡流；而在常规激光焊接条件下，液态金属只存在向上的流动趋势，如图(c)(d)所示。可以看出，点环光激光焊接飞溅抑制作用最直观体现在熔池表面凸起处液态金属涡流，将凸起处液态金属回拽至熔池中，而两种激光作用下的液态金属流动区别很可能与前文匙孔动态等结果不同有关。

常规激光与点环光激光焊接熔池流动对比

(a)点环光纵截面流场；(b)常规激光纵截面流场

(c)点环光横截面流场；(d)常规激光纵截面流场

熔池表面凸起的形成是产生焊接飞溅的前提。凸起处液态金属的动量主要来源于以下三点：匙孔尺寸的持续波动，匙孔与固液界面距离的改变增加液态金属动量；第二、驼峰和匙孔闭合处剧烈的液态金属蒸发，该处液态金属重新定向后向上流动，推动表面熔池形成凸起。第三、金属蒸气从匙孔逸出过程中对匙孔壁的冲击同样带来了其动量增加。

下图为点环光激光焊接抑制机理示意图。在点环光激光焊接条件下，匙孔波动剧烈程度显著下降，减小了液态金属动量。匙孔入口的扩大使得蒸汽逸出过程中，液态金属受其冲击方向的改变降低了其竖直分量大小；在以上两点作用下增加了液态金属的逃逸难度。此外匙孔稳定性的明显改善降低了匙孔闭合频率，进一步降低了点环激光焊接的焊接飞溅数量。最终达到了抑制焊接飞溅、改善焊接表面成形质量的作用。

点环光激光焊接抑制机理示意图

(a)常规激光焊接；(b)点环光激光焊接