光惠激光推出高反材料焊接专家FRM，破解锂电焊接难题
发布时间：2022-02-11
前言
激光焊接是将激光束通过光学镜片聚焦到工件表面，让材料快速熔化形成熔池，然后快速冷却形成焊接接头，它具有深宽比大、焊接速度快、与工件非接触等特点，很容易实现自动化生产，因此该工艺已经被大量广泛使用。
但是，高反材料在激光焊接过程中由于激光热源与材料相互作用复杂，以及铝合金、铜合金本身特殊的物理性能，焊接时存在对激光反射率高、焊接过程不稳定、易产生气孔缺陷等问题。采用普通激光焊接铝、铜这些高反材料时，钥孔塌陷会产生小孔、飞溅，由于飞溅会导致焊缝金属减少，致使表面坑洼、不平整；而且，这些材料对激光反射率高、吸收率低，大部分能量都被反射掉了，导致填充物融合不好；同时在冷却过程中，由于冷却速度过快，使得氢气等气体在熔池内的溶解度急剧降低且来不及逸出，导致气孔产生。
主流降低飞溅和气孔的焊接方法
如何降低飞溅、减少气孔、获得平滑的焊缝是高反材料焊接的一大难点。国内外很多企业也在这方面不断探索，推出了各自的产品。
（1）使用摆动焊接头
采用摆动焊接的方式可以分散能量密度，改善焊缝温度的均匀性，能在一定程度上减少飞溅与气孔的产生。目前主流的激光头厂商（如：嘉强、万顺兴、麒麟等）都有推出类似的摆动激光焊接头。但同时也存在一定弊端，由于激光的能量密度被降低，不得不加大功率或者放慢焊接速度。
（2）使用双波长复合焊接头
通过双波长复合焊接头将光纤激光与半导体激光复合在一起，在焊接点上重合，光纤激光进行深熔焊接，半导体激光具备预热缓冷的作用，可以一定程度地减少飞溅。目前像嘉强、万顺兴这样的激光头厂商也都有推出这样的焊接头。但这样的焊接方式需要用用到两台激光器，设备组合上较为复杂。
（3）采用特殊光斑的激光器
性价比最好的方案在激光器端，将高斯分布激光改为环形+中心光，中心光斑保证熔池深度，环形光斑起到预热缓冷的作用，这与上述提到的双波长复合焊接原理较为类似。典型的激光器厂家都有推出类似的激光器，如IPG的AMB激光器、锐科的ABP激光器。
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光惠激光的FRM是什么
针对上述高反材料的焊接难点，光惠激光在技术发展的道路上不断探索，推出了高反材料焊接专家——FRM（Flexible Ring Mode）动态光斑输出激光器，可以有效减少高反材料焊接过程中飞溅与气孔的产生。
FRM激光器通过定制化的耦合器将两个光模块耦合进光纤的纤芯层和环芯层，将两束激光耦合成一束激光后聚焦到工件表面形成复合光斑。通过调整合适的能量配比，能形成相对较宽的焊宽和较低的焊缝深宽比，有效提高钥孔的稳定性，可以明显地减少飞溅并降低气孔敏感性。
FRM激光器可任意控制纤芯光和环芯光的功率大小，可以只开中心光或环形光，也可以两者同时开，形成普通光斑、环形光斑、复合光斑三种模式；若同时开启可以中芯和环芯，可以使中芯功率大于环芯功率，也可以中芯功率小于环芯功率，或者中芯功率等于环芯功率，共可切换五种不同光斑形态。
中心光斑直径小、能量密度大，焊接基于深熔焊模式，会产生匙孔，能形成深宽比大的熔池。但它对配合间隙要求较高，且深熔焊焊接形成匙孔时大量高压金属蒸汽释放，易产生飞溅、爆点，熔池温度高且内部流动剧烈，熔池波动明显。
环形光斑直径大、能量密度小，焊接基于热传导模式，能形成较宽的熔池，由于热导焊不形成匙孔，所以焊接过程中熔池温度较低，不产生明显熔池波动，焊接无飞溅，焊缝平整美观。但由于分散了能量密度，无法获得较大的熔深。
将两者复合在一起，通过调整合适的能量配比，在中心光斑保障熔池深度的同时，环形光斑增加了熔池的宽度和存在时间，一方面提高了钥孔的稳定性，减少了飞溅的产生；另一方面，使熔池的流动更加稳定，气泡有较长时间溢出，降低了气孔形成的几率。
FRM激光器最高可提供20KW的总输出功率，并可灵活调整输出光的参数。中心光束输出光纤直径50μm／150μm，输出功率最高可达10KW；环形光束输出光纤直径150μm／300μm，输出功率最高可达10KW。中心光束为1070nm波长的光纤激光，环形光束除1070nm的光纤激光外，还可配置976nm的半导体激光，实现双波长双激光束的复合。
FRM优异的焊接效果
为了体现FRM的焊接效果，以下用FRM激光器和普通激光器分别焊接铝合金，并进行了对比。
用1.5KW+1.5KW（50μm+150μm）的FRM激光器焊接3mm厚度的6061铝合金，并和3KW（100μm）的普通激光器进行对比。可以明显发现：FRM激光器焊接时的飞溅要明显小于普通激光器的焊接。
将焊接完后的样品切开后进行金相观察。FRM激光器由于环形光斑的作用，焊接得到的焊缝呈现上宽下窄形貌，上下两表面基本平整；而普通激光器焊接的焊缝上下熔宽基本齐平，上表面存在塌陷伴随下表面凸出。
对焊接完后的焊缝进行拉力测试，FRM焊接的抗拉强度要优于普通激光器焊接。
FRM的重要应用
中国将新能源汽车作为七大战略性产业之一。由于动力锂电池组是新能源汽车组成的一个关键核心部件，随着新能源汽车的不断发展，它也相应地被广泛的使用和发展。
根据中研普华研究院的统计数据显示：2017-2020年全球锂电池需求量持续上升，且在未来3-5年内锂电设备需求将持续增长。锂电产业的迅速发展，致使各大企业纷纷加大对新工厂的建设与产能的扩充。
电池组的安全性是至关重要的，一旦发生相关故障，将会导致非常严重的结果，威胁人们的生命安全。其中，对电动汽车的安全起着决定性作用的因素就是动力电池组关键部位的焊接，这些位置最主要的材料就是铝合金，其中包括防爆阀、电芯封口、极耳、汇流排等；其次是紫铜材料，如极柱、极耳转接片等。这些位置的焊接质量好坏将直接影响作电池组质量的可靠性。
对于动力电池不同部件的焊接，采用光惠激光的FRM激光器可有效化解焊接难题，实现焊接零飞溅、表面无气孔、熔深稳定、焊缝平滑美观，显著提高焊接质量，有效保证动力电池的稳定性与安全性。
全球汽车市场向电动化转型已是大势所趋，而在这一发展大势下，势必会对锂电焊接工艺提出更高要求，锂电池加工已然成为国内激光企业争夺的重要市场。光惠激光将持续发力锂电池焊接领域，通过自主创新，进行激光器迭代升级，助力客户改进焊接工艺，提升产品安全性和竞争力。
来源：光惠激光 作者：应用工程师顾佳星
