先進激光加工技術在焊接行業的應用

魏麗華，暴宋杰，張維官

1.中國機械工程學會/北京中機天達科技發展有限責任公司 北京·埃森焊接與切割展覽會組委會 北京 100036

2.機械工業信息研究院金屬加工雜志社 北京 100037

光學技術的快速發展，快速推動了激光加工技術的進步與應用，特別是超快激光器、飛秒激光器、藍光激光器等產品的面世，對于激光加工在焊接領域的高效焊接起到了巨大的作用。

由于激光加工具有光點小、能量集中、熱影響區小、不接觸工件及對工件無污染等特點，因此，涌現出激光切割、激光焊接[1]、激光復合焊[2]、激光增材[3]等各種形式的新工藝新技術，在汽車制造、軌道交通、航空航天等眾多行業得到了快速的應用。基于此，越來越多的激光加工相關的研制企業涌現出來，為裝備制造企業的快速、高效、智能化的激光加工提供了各種各樣的產品和解決方案。

激光器促進焊接加工技術快速進步

激光器作為激光加工的“心臟”，對激光加工能夠在制造業中的快速推廣起到關鍵性作用，因此，激光器的功率、光束直徑、光斑模式及噪聲等性能，以及小型化、便攜化等是激光器企業最重要的研發方向。因此，行業知名的IPG、銳科、凱普林、創鑫、通快等激光器企業都展示出了公司最新研究成果。

（1）凱普林閃電系列激光器 凱普林作為國內激光器知名企業之一，一直致力于激光器的研發及應用效果，其閃電系列光纖激光器，主打“更小更輕更智能”，是最小的激光器之一。其中，閃電1000W光纖激光器更是僅有筆記本電腦大小（見圖1）。“Less is more”是閃電系列的極限設計理念，通過對泵浦源、芯片和水冷板的一體化設計，旨在讓光纖激光器剔除多余構造，打造極限空間，從而減小體積、減小質量，便于終端用戶的應用集成。凱普林閃電系列12kW光纖激光器，擁有獨特的抽屜式設計，比老款體積減小74%，質量減少51%，更便攜，應用場景也更多元。

圖1 凱普林閃電系列激光器

此外，閃電系列還具有高功率、高亮度、智能化、性能穩定等特征，針對市場同類產品體積冗余、笨重的痛點具有較強的競爭優勢。目前，閃電系列1000W、1500W、2000W及3000W主要應用于手持焊領域，閃電系列6000W、12kW側重于激光切割領域，對不銹鋼、碳鋼以及鋁銅等金屬材料都可實現精細加工（見圖2）。

圖2 激光器應用樣品

（2）銳科激光器 銳科是國內激光器的頭部企業之一，其產品的應用領域也是涵蓋了汽車制造、機械制造、航空航天等。銳科有3款產品值得關注：旗幟帶光閘環形光斑ABP4000/2000激光器、藍光500W光纖激光器和250W MOPA脈沖光纖激光器。

旗幟帶光閘環形光斑ABP4000/2000激光器相比普通光纖激光器，采用優化升級的泵浦源、有源光纖等核心器件，配置高耦合效率、可高頻次切換的分時光閘，焊接無飛濺，避免焊后處理，顯著提升良率，實現更快焊接速度、更高焊接質量，廣泛應用于鋁電池、汽車零部件、電子元器件制造等。

藍光500W光纖激光器（見圖3）對銅等有色金屬的吸收率是紅外的12倍，復合焊接能夠實現2～5mm以內紫銅對接焊，抗拉強度均可達到母材強度的67.7%以上，最大抗拉強度可達母材的81.3%。通過高速攝像觀察，藍光-光纖復合焊接紫銅過程中熔池形成非常穩定，無飛濺。主要應用于電池銅箔的軟連接焊接、電池極柱的焊接、電池紫銅位置焊接、電動機銅扁線的焊接、銅絲導線的焊接、紫銅水冷裝置的焊接及黃銅閥門焊接等。

圖3 藍光500W光纖激光器

（3）IPG YLS-ECO系列 在IPG眾多的產品和技術解決方案中， YLS-ECO系列高效節能型高功率光纖激光器（見圖4）就是其中的一款，該激光器是IPG在綠色制造理念下研發推出的創新產品。在IPG獨有技術平臺的支持下，YLS-ECO系列激光器電光轉換效率可達50%以上，并且擁有出色的長期功率穩定性，確保在所有高功率應用（包括切割、焊接、釬焊、熔覆和表面處理）中，能夠年復一年地保持其卓越加工能力，為最嚴苛的應用提供長期穩定激光功率，幫助高端制造企業擺脫低效和高耗能的困擾，進而利用高效技術實現綠色制造。

圖4 YLS-ECO系列高效節能型高功率光纖激光器

總之，焊接與切割作為激光加工應用的主要工藝，激光器的優劣是企業重點考慮的因素之一。因此，激光器企業除了研發各種高性能的激光器之外，也在貼近用戶，針對各種應用場景，研發各種解決工藝方案。

先進的激光焊接工藝助力企業高效焊接

當前，激光焊接工藝主要有激光焊、激光-MIG復合焊、激光-MAG焊及激光熔覆等[1，4-6]，而激光復合焊在行業中的應用越來越成熟，因此，激光電弧復合焊接發揮作用將會越來越多。激光焊接工藝的快速應用，也促進了激光焊接相關的企業的發展，涌現出一批在國內比較知名的企業，比如華工激光、大族激光、銘雷激光、鑫全利、天一及創鑫激光等，銘雷激光推出了一款30 000W高功率激光電弧復合焊接系統；創鑫激光發布了雙光束（環形光斑）系列激光焊接系統。

1）30 000W高功率激光電弧復合焊接系統。銘雷激光的該焊接系統采用高功率激光與傳統焊接相結合，激光束和電弧在共同的熔池中相互作用，相互影響和支持，彌補彼此焊接工藝的缺陷，充分發揮激光深熔和弧焊蓋面的優勢，有效提升焊接質量和穩定性，降低制造成本。該激光電弧復合焊系統的優勢：復合焊接強度高、速度快、熱輸入小、變形量少；30mm不需開坡口，減少送絲填料消耗；焊縫橋接大、間隙容忍性強；新型、智能、節能、自動化，如圖5所示樣機。

2）雙光束（環形光斑）系列激光焊接系統。該系統是創鑫激光針對新能源電池一站式激光解決中的核心主推產品。功率段為3000W+3000W和2000W+2000W，集激光器控制系統于一體，采用環形光斑設計，可有效抑制飛濺，能夠得到更好的光束質量。功率輸出穩定性高，功率波動＜1.5%；具備功率監控與功率補償功能，光束質量一致性強，補償節拍在0.3ms以內。

總之，激光復合焊接技術是主要以通過激光器+協作機器人或工業機器人+焊機等方式組合起來的一整套焊接系統，隨著智能化焊接技術的發展，未來激光復合焊接將會越來越智能，給企業帶來更加高效、環保的焊接生產方式。

手持激光焊加快手工焊接變革

如果說激光復合焊會替代傳統的焊接工藝，那么，手持激光焊的出現，將會加速傳統弧焊工藝向激光焊工藝的推進，因此，也加速了手持激光焊的發展。據了解，目前生產或研制手持激光焊設備的企業有1000余家，如此龐大的企業規模，必將會進一步促進手持激光焊工藝的技術進步和應用。第26屆北京·埃森焊接與切割展覽會上，涌現出了一大批從事手持激光相關的企業，比如桓日激光、凱普林、IPG、銘雷激光、麒麟激光、麥格米特及瑞凌等。

1）桓日激光的紅桐系列新品A1MD30手持激光焊。它采用三控聯調一體化，激光器、焊槍、送絲機三孔合一，僅通過主機上的屏幕就能控制整個系統并實現聯調，自動調用最優焊接參數；其智能化與自動化使焊接變得簡單易學，大大降低了焊接入門門檻，可幫助企業大大降低用工成本。此外，紅桐A1MD30還可以焊多種金屬，如鋁合金、黃銅、紫銅等高反材料，且焊縫整潔美觀、熔深高，如圖6所示。

圖6 桓日激光手持焊接機演示

2）麥格米特手持式激光焊接系統。該設備配備1.5kW/2.0kW激光器（見圖7），適用于5mm以下薄板焊接，比如鈑金、汽車內飾、燈具等行業。具有以下特點：①高穩定性激光發生器，嚴格指定核心器件，輸出功率穩定，參數波動極小；②輕便式手持焊接槍頭及送絲系統，故障率低，操作簡單，維護方便；③雙溫雙控智能冷卻系統，可靠穩定；④一機多用，支持手持焊接、機器人焊接、激光焊縫清洗機簡易激光切割等功能；⑤具有效率高、變形小、免打磨、上手快等特點。

圖7 麥格米特手持激光焊機

手持激光焊機的爆發式增長，說明了未來手持激光焊將會越來越適合焊接的發展方向。

結語

激光加工技術作為當前焊接技術最具前沿性的一種先進焊接工藝，隨著激光器、焊機、控制系統 視覺跟蹤等技術的進步，越來越受到企業的重視。因此，激光加工開始從薄板加工向中厚板方向發展，未來必將更廣泛的改變企業的生產方式。