激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)的應(yīng)用新趨勢(shì)

激光束焊接（LBW）是進(jìn)入工業(yè)4.0的理想選擇。激光制造商和系統(tǒng)集成公司憑借光電子界的承諾，在技術(shù)方面取得了許多進(jìn)步，推動(dòng)它們的應(yīng)用之一是汽車(chē)動(dòng)力，尤其是電子移動(dòng)。歐盟委員會(huì)的項(xiàng)目是促進(jìn)激光技術(shù)進(jìn)入數(shù)字化世界的合適平臺(tái)。

在整個(gè)材料加工行業(yè)中，以激光為基礎(chǔ)的技術(shù)行業(yè)在2019年的收入最高，占總收入的三分之一以上。盡管在過(guò)去幾年里，該行業(yè)的總體收入有所下降。在大功率材料加工領(lǐng)域，雖然焊接應(yīng)用增長(zhǎng)較快，但切割仍然貢獻(xiàn)最大。電池焊接在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多，這是焊接比切割速度加快的原因之一。

在汽車(chē)制造業(yè)，連接材料的主要挑戰(zhàn)之一是不同材料的連接。一百多年來(lái)，汽車(chē)制造業(yè)一直在試圖解決這一挑戰(zhàn)。目前，在這一領(lǐng)域，人們正在努力將鋼鐵和鋁結(jié)合起來(lái)，并引進(jìn)新材料，如塑料和碳纖維增強(qiáng)聚合物。此外，遵守最新的二氧化碳排放和安全法規(guī)至關(guān)重要。

影響車(chē)輛油耗的因素23%是由于車(chē)輛的重量。反過(guò)來(lái)，它主要受底盤(pán)重量、車(chē)身和機(jī)構(gòu)的影響。這意味著這個(gè)市場(chǎng)需要更安全、更輕的汽車(chē)，以符合法規(guī)同時(shí)仍保持成本競(jìng)爭(zhēng)力。在這方面，激光焊接技術(shù)可以提供可行的和有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

Gestamp公司專(zhuān)門(mén)從事BiW、汽車(chē)沖壓和裝配。鋼和鋁的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)是它們研發(fā)中心廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)。來(lái)自Trumpf的系統(tǒng)和來(lái)自IPG、Blackbird、Precitec、Coherent和Lessmüll的基于激光的機(jī)器是最常用的設(shè)備。觸覺(jué)激光焊接也是連接相同材料的常用方法，Gestamp有幾個(gè)工業(yè)裝置在運(yùn)行，也在內(nèi)部開(kāi)發(fā)新的技術(shù)創(chuàng)新。他們的特長(zhǎng)之一是自行開(kāi)發(fā)的“BiW BKT激光軟化技術(shù)”或“Ges/ soft bend”。該技術(shù)利用半導(dǎo)體激光器，通過(guò)激光加熱，可以制造出部分硬化區(qū)域的新材料等級(jí)。這些特殊的區(qū)域?qū)⒎乐怪T如點(diǎn)焊斷裂等故障，并提高零件在碰撞中的性能。在碰撞情況下，可以獲得新的彎曲解決方案，從完全硬化解決方案開(kāi)始，創(chuàng)建具有更多延展性等級(jí)的部分軟化區(qū)域，可以提供無(wú)與倫比的彎曲性能。將不同硬度的鋼與鋁結(jié)合也是可能的。

他們的許多合作伙伴都專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)用于不同材料連接的新技術(shù)。目前的主要挑戰(zhàn)是鋁和壓力硬化鋼的機(jī)械連接，碳纖維和鋼等新材料的熱連接，以及粘合劑在所有這些過(guò)程中的作用。在光纖到光纖連接的情況下，如果使用合適的粘合劑，BKT系統(tǒng)可能是一個(gè)可行的解決方案。目前正在研究幾種鋼纖維連接的潛在解決方案。Gestamp研發(fā)中心也使用其他基于激光的技術(shù)，如燒蝕和熔覆。

盡管目前主要采用的是觸覺(jué)激光焊接技術(shù)，但Gestamp相信，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)在未來(lái)將成為一項(xiàng)更強(qiáng)大的技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化材料連接工藝，將使車(chē)輛變得更輕。這是因?yàn)檫h(yuǎn)程激光焊接可以顯著減少蓋法蘭的寬度，這將導(dǎo)致更輕的零件，同時(shí)保持相同的性能。焊接過(guò)程將加快:遠(yuǎn)程激光焊接不需要填充材料。

展望未來(lái)，像Gestamp這樣的公司對(duì)激光公司有一個(gè)要求:更多的輸出功率。

該激光制造商的汽車(chē)用LBW的方法將其產(chǎn)品組合的一部分用于汽車(chē)的移動(dòng)性應(yīng)用，即電動(dòng)動(dòng)力總成、功率控制模塊、電池芯、電池組和各種其他大電流設(shè)備（圖1）。要求焊縫在汽車(chē)的整個(gè)使用壽命內(nèi)承受熱膨脹和振動(dòng)。應(yīng)用中的典型材料是鋁和銅。采用1μm激光器，特別是可調(diào)環(huán)形光纖激光器，輸出功率高達(dá)10 kW。在一根工藝電纜中有兩束1μm激光束，其中一束來(lái)自光纖中心的傳統(tǒng)高亮度激光束，由環(huán)形光束同軸環(huán)繞。兩個(gè)梁在動(dòng)態(tài)上相互獨(dú)立，可以在整個(gè)焊接過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整，例如在功率方面。

例如，利用環(huán)形激光器對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)表面條件充分且1μm光束的吸收率特別高時(shí)，可以發(fā)射中心光束。獨(dú)立調(diào)制范圍從cw到5 kHz。這些激光器具有抗反反射能力，這意味著無(wú)需傾斜光學(xué)元件即可進(jìn)行垂直焊接。它們可以減少飛濺和氣孔，并且在焊接時(shí)可以很好地控制熔深。此外，可以在不過(guò)度加熱材料的情況下將不同材料（如鋁和銅）焊接在一起。這樣可以確保接頭相對(duì)空隙、飛濺和無(wú)氣孔，從而改善電氣和機(jī)械特性。Concert已經(jīng)掌握了異種材料的焊接技術(shù)，并愿意在鈦、黃銅和鍍鋅鋼焊接以及任何與可移動(dòng)性相關(guān)的應(yīng)用方面進(jìn)行合作。

Trumpf還致力于汽車(chē)和電子移動(dòng)應(yīng)用的LBW，尤其是電力電子、電池、模塊和容器、發(fā)夾式電子驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系部件以及燃料電池。在這一領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)的鋁和鋼焊接外，銅焊接也受到了極大的關(guān)注。Trumpf使用基于TruDisk系列倍頻薄盤(pán)激光器的綠色激光器，輸出功率高達(dá)2千瓦，光束質(zhì)量非常高。這是他們最好的工具，與遠(yuǎn)程掃描光學(xué)相結(jié)合，用于在不同且穩(wěn)定的焊接深度下快速焊接銅。綠色激光還可以應(yīng)用于箔焊和混合金屬焊接接頭，特別是鋁和銅，這需要非常穩(wěn)定的焊接深度。

此外，多點(diǎn)激光焊接是當(dāng)今的一個(gè)重要趨勢(shì)，Trumpf憑借其獲得專(zhuān)利的BrightLineweld技術(shù)（一種基于2合1光纖的系統(tǒng)，以1μm的速度提供高達(dá)16 kW的輸出功率）維持了這一趨勢(shì)（參見(jiàn)圖2中的應(yīng)用示例）。這種特殊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可同時(shí)提供兩種焊點(diǎn)尺寸，具有完全可調(diào)的功率分布，可穩(wěn)定所有材料的焊接過(guò)程并減少飛濺。鋼焊接可以以每分鐘超過(guò)20到30米的速度實(shí)現(xiàn)，而且效率很高。銅焊接的一個(gè)特別優(yōu)點(diǎn)是能夠低速或高速運(yùn)行，確保焊縫光滑。Trumpf可以與光電子界合作，特別是與監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)處理等方面的專(zhuān)家合作，還可以與光學(xué)制造商合作，他們能夠處理切割和焊接應(yīng)用中的高功率、亮度和紅外亮度（>20 kW），以及綠色波長(zhǎng)下的高功率。

Nuburu的藍(lán)色激光器在LBW中發(fā)揮著特殊作用，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)和電池的銅和鋁焊接中。他們還擁有釬焊和熱處理方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。就汽車(chē)應(yīng)用而言，使用如此短的波長(zhǎng)是因?yàn)殂~具有特別高的吸收率，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、無(wú)飛濺和無(wú)氣孔的焊接，而無(wú)需應(yīng)用光束抖動(dòng)。這也適用于異種材料焊接，如電池中的鋼和銅，具有一致且可控的穿透深度，由于僅使用幾百瓦的藍(lán)色激光功率，因此熱負(fù)荷較低。

激光集成商在電子移動(dòng)性方面的經(jīng)驗(yàn)

Comau是FCA集團(tuán)的成員之一，是先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品和系統(tǒng)的全球供應(yīng)商。其產(chǎn)品組合包括用于電動(dòng)、混合動(dòng)力和傳統(tǒng)車(chē)輛制造的技術(shù)和系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作和可穿戴機(jī)器人、自主物流、專(zhuān)用加工中心以及能夠傳輸、闡述和分析機(jī)器和過(guò)程數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)字服務(wù)和產(chǎn)品。他們是焊接頭等復(fù)雜設(shè)備中激光系統(tǒng)的集成商，將混合熱成像技術(shù)應(yīng)用于在線實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控和大數(shù)據(jù)處理。他們開(kāi)發(fā)了一種軟件，在錄制的視頻上使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠在不需要任何破壞性測(cè)試的情況下評(píng)估關(guān)節(jié)的質(zhì)量。他們還致力于通過(guò)定制的軟件設(shè)計(jì)提高過(guò)程穩(wěn)定性。

Precitec是激光材料加工和光學(xué)計(jì)量的專(zhuān)家。他們的主要產(chǎn)品是用于切割和焊接的加工頭，采用完全集成的傳感器技術(shù)來(lái)監(jiān)控工業(yè)應(yīng)用中的激光過(guò)程。Precitec設(shè)備可應(yīng)用于電子移動(dòng)性的許多應(yīng)用中，其中激光工具可用于多個(gè)過(guò)程，如電池接觸焊接（銅/鋁）的實(shí)時(shí)過(guò)程控制，或檢測(cè)故障等。通過(guò)將OCT技術(shù)應(yīng)用于激光材料加工，展示了公司的創(chuàng)新能力。該公司是OCT從醫(yī)療技術(shù)向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)移的先驅(qū)者和推動(dòng)者，他們的成功證明了他們的正確性。OCT傳感器的使用使客戶(hù)能夠以μm分辨率實(shí)時(shí)測(cè)量熔深和/或地形，而不受焊接排放的影響。成熟的turn-key系統(tǒng)，如鑰匙孔導(dǎo)向器或Weld Master，是奧迪工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)行的工具，用于焊接鋁6xxx系列，無(wú)需額外填充焊絲。該應(yīng)用的核心是連續(xù)測(cè)量焊縫幾何形狀，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整振蕩頻率和寬度以及激光功率。其中一個(gè)應(yīng)用是使用Weld Master關(guān)閉電池單元模塊，該模塊安裝在奧迪e-tron下方，在那里，電子束振蕩和功率控制確保焊縫無(wú)裂紋和氣孔。由于通過(guò)在線控制將質(zhì)量檢查整合到生產(chǎn)過(guò)程中，沒(méi)有填充焊絲會(huì)導(dǎo)致熱量減少47%，并顯著降低運(yùn)行成本和生產(chǎn)時(shí)間。

新技術(shù)和歐洲資助項(xiàng)目的作用

許多因素對(duì)實(shí)現(xiàn)有效和精確的焊接起著作用。其中之一是激光束如何到達(dá)待治療區(qū)域。Civan公司已將這方面的創(chuàng)新技術(shù)推向市場(chǎng)。它們提供1μm和532 nm的單模激光器，輸出功率分別為10至30千瓦和500瓦。兩種波長(zhǎng)的高功率都是通過(guò)相干光束組合實(shí)現(xiàn)的，在相干光束組合中，許多光束可以被放大，然后組合成一個(gè)單模輸出，并控制光束形狀、位置和焦距。他們使用光學(xué)相位陣列技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過(guò)多個(gè)激光器產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖案，通過(guò)不同的相位調(diào)制器控制相對(duì)相位，可以任意定義輸出最大值的形狀和位置。該系統(tǒng)由特定軟件驅(qū)動(dòng)，能夠非常動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)從kHz到MHz的振蕩頻率，并實(shí)時(shí)改變光束形狀、焦距或速度，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆孔、焊接和切割不同材料（見(jiàn)圖3中的示例）。未來(lái)，他們計(jì)劃增加一個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)參數(shù)變化一起，將允許實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)測(cè)。

圖3利用Civan的動(dòng)態(tài)梁和三個(gè)相應(yīng)的關(guān)節(jié)輪廓的可能光束整形示例。(來(lái)源:Civan)

這項(xiàng)技術(shù)是工業(yè)4.0的一個(gè)明顯先兆，歐盟委員會(huì)在支持此類(lèi)開(kāi)發(fā)方面表現(xiàn)出了極大的興趣。因此，歐洲層面的許多集體倡議也在“先進(jìn)制造”的保護(hù)傘下推動(dòng)LBW。其中一個(gè)被稱(chēng)為PULSATE，這是最近根據(jù)GA 951998在Horizon 2020年批準(zhǔn)的歐洲項(xiàng)目，將于2020年秋季啟動(dòng)。該項(xiàng)目的目的是將歐洲的許多數(shù)字創(chuàng)新中心與基于激光的制造技術(shù)（包括LBW）方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，并惠及所有希望適應(yīng)數(shù)字制造和工業(yè)4.0環(huán)境的中小企業(yè)，他們將激光視為關(guān)鍵的使能技術(shù)，但由于缺乏測(cè)試能力而無(wú)法實(shí)施。