文章来源：转载自ACT激光聚汇，作者：Antonio Castelo，欧洲光子学产业联盟（EPIC）生物医学与激光技术经理
在过去的十年间，在激光光源、控制系统和自动化技术快速发展的推动下，激光焊接经历了显著变革。曾经仅限于特殊应用的激光焊接，如今已成为汽车、航空航天、电子和医疗设备领域的主流制造技术。激光焊接的优势显而易见：局部能量输入，并且能够对多种不同厚度、不同焊缝几何形状要求的多种金属进行非接触式加工。
多项技术进展推动了激光焊接技术的发展演变。高亮度光纤激光器和用于微焊接的超快激光器的出现，大幅提升了激光焊接的质量、速度和精度，同时减少了热变形和后处理需求。如今，这些激光源（尤其是光纤激光器）的成本正在显著降低，从而使得激光工艺能够被更广泛的行业所采用。此外，激光焊接可以使用的波长也更加丰富，这能让特定材料在室温下获得更好的激光吸收率。
激光焊接系统中其他元器件的性能也在不断改进。加工头（尤其是内置光学元件的加工头）的可靠性和透光性日益提升。在激光焊接常用的功率水平下，热焦点偏移已经不再是问题，这在一定程度上得益于光学涂层质量的显著提高。与此同时，机器人技术、人工智能（AI）和数字孪生技术的融合，实现了更智能、更灵活的生产线。这些创新不仅扩大了激光能够可靠焊接的材料种类和几何形状范围，而且还降低了成本并提高了工艺可扩展性，使激光焊接成为现代高性能制造中的一种核心技术。
向电动化出行的转变，极大地改变了动力总成组件和部件的设计。一个典型案例是发卡电机，这是一种使用发卡式定子绕组而非圆线绕组的电动机。与圆线相比，发卡线呈矩形且尺寸更大，其矩形结构能实现更高的填充率，从而能将铜绕组的效率提升大约20%。目前，大多数汽车原始设备制造商（OEM）和供应商都采用了发卡式电机设计，而这需要对绕组的开口端进行激光焊接。
在发卡焊接中，典型的焊接流程为：先依次熔化发卡引脚，再通过更长的连接轨迹在引脚顶部形成熔融焊珠。为了提高最终的焊接质量，通快公司（Trumpf）开发了 BrightLine Weld 焊接技术（见图 1）。
图 1：电动汽车电机的发卡焊接。（图片来源：Trumpf）
与标准的激光设计相比，BrightLine Weld技术的光束传输光纤由一根空心环形光纤和一根内置核心光纤组成，可以向工件提供叠加的光束轮廓。通过在光纤输入端使用光学光束楔，可以自由调整分配到每根光纤的激光功率。这为焊接工艺（尤其是铜焊接）带来的好处是：显著减少了飞溅和气孔的形成。调节核心光纤（40%）与环形光纤（60%）之间的功率分配比例，能够实现最低的焊接飞溅和气孔形成。这不但优化了焊接质量，而且激光功率可以充分利用到额定功率水平。
发卡焊接通常使用 6 kW 或 8 kW 的碟片激光器，以实现深熔焊模式，确保在微秒级的加工时间内形成所需要的熔池体积。加工时间主要取决于所用导线的横截面，常见发卡线的单个引脚对的焊接时间从 25 ms到 200 ms不等（见图 2）。
图 2：BrightLine Weld 技术性能：附加的环形光束扩大了匙孔开口，使金属蒸气更容易逸出；向表面加速流动的熔体被环形光束导流回熔池，从而避免了飞溅。（图片来源：Trumpf）
光束整形目前正带来真正颠覆性的变革，并且这一趋势将会在未来持续下去。光束整形能够定制激光能量的空间和时间分布，以满足特定材料和接头的需求。传统的高斯光束并非总能提供理想的能量分布以实现稳定无缺陷的焊接，尤其是在处理复杂几何形状、高反射材料或异种金属组合时。
调整光束形状可以带来诸多优势，例如减少飞溅、提高焊接速度、更好地控制连接件中的能量耗散以及稳定匙孔。未来，必须从分布 “锐度”、景深、尺寸精度、效率等方面，精确描述特定应用强度分布的质量。光束整形无疑是激光材料加工的未来方向。
对于激光焊接应用，有多种方法可以实现光束整形。Cailabs 公司提供了一种多平面光转换（MPLC）解决方案。该方案能够将标准高斯光束转换为复杂的特定应用轮廓，如平顶帽形、环形模式、多光斑图案，并且不会损失光束质量或功率。先进的光束控制显著提高了焊接一致性，减少了热变形，并最大限度地减少了飞溅、气孔和裂纹等缺陷，尤其适用于高难度材料的焊接。
Cailabs公司的光束整形模块结构紧凑，采用无源设计，并且与工业激光系统（包括 Precitec 的激光头）完全兼容。Cailabs和Precitec两家公司合作，将 Cailabs 的光束整形技术集成到 Precitec 的激光焊接头中，以满足不断增长的电动汽车市场的需求（见图 3）。
图 3：集成到Precitec 激光焊接头中的 Cailabs 光束整形技术。（图片来源：Cailabs）
Robust AO 公司提供的另一种解决方案，称为Zwobbel技术，它能够实现 z 方向的光束摆动，摆动频率高达 2000 Hz，用于动态光束整形。在光束摆动中，激光束在沿主焊接路径行进的同时，也会以受控的振荡模式移动。这种移动与激光的线性运动叠加，形成了一种动态能量分布，可以精确调整以适应材料和接头的几何形状。该技术被用作90°偏转镜，并且能在动态调整形状的同时，保持光斑聚焦在扫描平面内。
研究人员分析了采用 Zwobbel 技术的轴向动态光束成形，在铝合金激光焊接中减少气孔和飞溅的效果。与无光束振荡的参考测试组（静态焦点位置工艺）相比，Zwobbel技术显著降低了气孔率（尤其是根部区域），还实现了更均匀的焊接熔深，焊接熔深的波动范围减少了约 45%。结果表明，轴向动态光束整形工艺降低了根部区域的强度峰值，并实现了材料蒸发的局部控制。
一系列补充测试探索了飞溅行为以及对焊缝几何形状的定向影响，结果发现：高振荡频率与飞溅形成的显著减少相关，这表明匙孔有所扩大。横截面分析显示了熔池内的变化及由此导致的焊缝几何形状改变：与无振荡光束的焊接工艺相比，在保持焊接熔深的同时，覆盖层区域的焊缝宽度增加了 25%，根部区域的焊缝宽度增幅高达 34%。通过这些测试，Robust AO 证明了轴向动态光束整形在提高焊缝质量方面的有效性（见图 4）。
图 4：安装在焊接激光头上的 Robust AO Zwobbel 装置。（图片来源：Robust AO）
“制造即服务（MaaS）”的概念，使企业能够按需使用先进的制造能力。MaaS 平台利用基于云的系统、数字孪生和分布式生产网络，提供灵活、可扩展且不受地理位置限制的制造解决方案。激光焊接凭借其高精度、自动化兼容性和材料通用性，完美地与MaaS模式相契合。服务提供商可通过数字接口提供激光焊接操作的远程编程、实时监控和质量控制，从而能以按使用付费的高效方式，部署复杂的焊接工艺。这种对激光焊接等尖端制造技术的普及化使用，支持快速原型制作、定制化生产和准时制生产，完美契合了灵活的现代供应链需求。
欧盟的Lasers4MaaS项目（https://lasers4maas.eu）正走在变革现代制造业的前沿。通过利用动态激光光束整形和AI驱动的制造技术，其尖端数字制造平台能够实现按需、可持续且经济高效的生产。工作流程开始后，先通过数字平台无缝集成设计和生产数据，确保所有系统协同一致。数据交换完成后，动态光束整形技术实时定制激光操作，提供针对特定应用的精确、高效的材料加工。在生产过程中，AI持续监控关键参数，提供即时反馈并优化工艺性能；数字孪生和预测分析确保产品满足严格的质量标准；同时生命周期评估对环境影响进行评估。来自生产数据的不同见解将被反馈到系统中，用于持续改进和提升未来运营的效率。
Lasers4MaaS 有望为多个行业带来彻底性变革，例如：在汽车领域，其灵活性和生产力推动着激光焊接的创新；航空航天领域，将受益于高精度定制制造；在食品包装行业，产品质量至关重要；在氢能源和聚变能源等可再生能源领域，先进的激光解决方案支持向更清洁、更绿色的未来转型。通过应对各个行业的独特挑战，Lasers4MaaS 将加速智能、可持续和去中心化制造实践的采用。其按需提供先进激光系统的模式，无需大量前期投资即可实现灵活且可扩展的制造解决方案。
