據悉，德國通快的研究人員報道了利用高功率激光器的動態光束整形提高發卡定子的生產率研究，為電動汽車行業創造機遇。相關研究以“Unlocking opportunities for the EV industry with beam shaping of high-power lasers”為題發表在《PhotonicsViews》上。
在全球向可持續交通轉變的推動下，電動汽車（EV）行業正在經歷前所未有的增長。激光焊接已成為該行業的一項重要技術，為降低生產成本、擴大新型電池和電動驅動技術的制造選擇提供了一種便捷方式。雖然激光發展迅速，功率水平已達到24kW甚至更高，但在焊接過程中如何有效應用如此高的激光功率仍然是一項挑戰。
這篇文章探討了發卡焊接過程中可用激光功率與將其轉化為更高生產率之間的差距。這些局限性，尤其是熔池動力學方面的局限性，阻礙了高激光功率潛力的充分發揮。為了應對這一挑戰，研究人員探討了創新的光束整形方法來克服這些限制，并在焊接過程中利用更高的激光功率。通過詳細的演示，研究人員展示了如何應用新的光束整形技術使更高的激光功率在焊接中得到實用化，從而將生產率提高到前所未有的水平。這項研究不僅有助于優化電動汽車部件的激光焊接，還為先進制造技術的更廣泛應用打開了大門。
在過去幾年中，電動車行業從小型制造廠迅速發展為大規模制造廠。生產技術（如基于掃描儀的激光焊接）的進步促進了這一轉變，使生產速度大大快于其他任何技術。電池和電動汽車生產的苛刻要求也加速了更高功率和亮度的激光源的開發，這反過來又增加了開發新應用來使用這些先進工具的必要性。光束整形是一種關鍵方法，它可以使用更大功率的激光，將加工極限推向更高水平，從而為提高生產率打開大門。下文將介紹發卡焊接的進步，以及如何通過調整光斑大小和激光束輪廓將焊接時間縮短2.5倍。
疊加激光束
焊接各種電池或電子驅動器的觸點（主要由鋁、銅和鋼制成）需要一種輸入熱量低且焊縫內無氣孔的低飛濺工藝。此外，熔融材料的滲透深度和體積應保持在最低水平。為滿足這些要求，必須通過控制鎖孔和周圍熔池的形狀和動態來穩定工藝。
針對這些特點，研究人員采用了一種通快BrightLine Weld的焊接方法，通過穩定鎖孔來控制焊接過程。這是通過疊加兩束激光（一束核心光束和一束環形光纖光束）來實現的。這將對鎖孔和周圍的熔池產生穩定影響。這一創新技術被廣泛應用于涉及銅、鋁和鋼部件的各種應用中，例如電動汽車行業。
圖1顯示了焦平面上來自 TruDisk BrightLine Weld 激光源的疊加激光束的光束輪廓。 草圖顯示，兩束光束疊加在一起，并被引入鎖孔。因此，與沒有環形光束的情況相比，鎖孔開口呈圓錐形，這是加工過程中穩定的主要效果。這種現象不僅能形成穩定的鎖孔，還能使表面附近的熔融材料顯著增加。這兩種效果對于減少飛濺和孔隙的形成都至關重要。
圖 1 BrightLine Weld 對焊接過程的影響。激光束被耦合到內光纖芯和同軸環形光纖上。
表 1 實驗配置
焊接結果
基于激光的發卡式焊接工藝是一項重大挑戰，因為它要求精確快速的連接，同時最大限度地減少孔隙形成、熱輸入和飛濺。要防止不穩定性并實現發卡定子設計中的精確連接，就必須深入了解該工藝。與此同時，還需要保持較高的工藝效率，最大限度地減少材料損耗，優化周期時間，同時保持結構的完整性。具有2合1光纖導向功能的多模激光器主要用于焊接銅質發卡，激光功率高，質量要求嚴格。與其他高功率光束整形技術相比，通快的 BrightLine 焊接技術（可用于盤式激光器和光纖激光器）能夠利用全部激光功率。用于光纖耦合的光學裝置設計用于支持可互換光纖，并在保持光束質量完整性的同時集成多個光束輸出。
圖 2 BrightLine Weld用于調整纖芯和環形光纖之間功率分布的光楔。
為了解決短工藝時間和最小化飛濺和氣孔的挑戰，采用了BrightLine Weld技術，以確保堅固、導電的連接，與單獨使用芯纖維的工藝相比，顯著減少了氣孔和飛濺(參見圖3)。在焊接過程中，動態調整芯纖維和環纖維之間的激光功率分割比，提供了一種協同方法，將快速加工時間與減少氣孔產生結合起來。在整個焊接過程中，激光功率在芯和環光纖之間交替進行，以優化結果。雖然飛濺減少了，但在這種工藝策略下，仍然可以觀察到少量的飛濺。
圖 3 TruDisk 8000多模激光器使用單芯、靜態和動態 BrightLine Weld 過程的焊接性能比較。相應的飛濺和孔隙圖像顯示，動態 BrightLine 模式工藝的速度和質量都有所提高。
為了應對加工時間短、飛濺和氣孔最小化的挑戰，BrightLine Weld技術的應用確保了穩固的導電連接，與單獨使用芯光纖的加工相比，顯著減少了氣孔和飛濺（參見圖 3）。在焊接過程中，對芯光纖和環光纖之間的激光功率分配比例進行動態調整可提供一種協同方法，將快速加工時間與減少氣孔生成相結合。在整個焊接過程中，纖芯和環形光纖之間的激光功率交替變化，以優化焊接效果。采用這種工藝策略后，雖然飛濺物有所減少，但仍可觀察到少量飛濺物。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1002/phvs.202400017
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