激光焊接技术在汽车制造业的应用新趋势

激光束焊接（LBW）是进入工业4.0的理想选择。激光制造商和系统集成公司凭借光电子界的承诺，在技术方面取得了许多进步，推动它们的应用之一是汽车动力，尤其是电子移动。欧盟委员会的项目是促进激光技术进入数字化世界的合适平台。

在整个材料加工行业中，以激光为基础的技术行业在2019年的收入最高，占总收入的三分之一以上。尽管在过去几年里，该行业的总体收入有所下降。在大功率材料加工领域，虽然焊接应用增长较快，但切割仍然贡献最大。电池焊接在汽车工业中的应用越来越多，这是焊接比切割速度加快的原因之一。

在汽车制造业，连接材料的主要挑战之一是不同材料的连接。一百多年来，汽车制造业一直在试图解决这一挑战。目前，在这一领域，人们正在努力将钢铁和铝结合起来，并引进新材料，如塑料和碳纤维增强聚合物。此外，遵守最新的二氧化碳排放和安全法规至关重要。

影响车辆油耗的因素23%是由于车辆的重量。反过来，它主要受底盘重量、车身和机构的影响。这意味着这个市场需要更安全、更轻的汽车，以符合法规同时仍保持成本竞争力。在这方面，激光焊接技术可以提供可行的和有竞争力的解决方案。

Gestamp公司专门从事BiW、汽车冲压和装配。钢和铝的远程激光焊接技术是它们研发中心广泛应用的一项技术。来自Trumpf的系统和来自IPG、Blackbird、Precitec、Coherent和Lessmüll的基于激光的机器是最常用的设备。触觉激光焊接也是连接相同材料的常用方法，Gestamp有几个工业装置在运行，也在内部开发新的技术创新。他们的特长之一是自行开发的“BiW BKT激光软化技术”或“Ges/ soft bend”。该技术利用半导体激光器，通过激光加热，可以制造出部分硬化区域的新材料等级。这些特殊的区域将防止诸如点焊断裂等故障，并提高零件在碰撞中的性能。在碰撞情况下，可以获得新的弯曲解决方案，从完全硬化解决方案开始，创建具有更多延展性等级的部分软化区域，可以提供无与伦比的弯曲性能。将不同硬度的钢与铝结合也是可能的。

他们的许多合作伙伴都专注于开发用于不同材料连接的新技术。目前的主要挑战是铝和压力硬化钢的机械连接，碳纤维和钢等新材料的热连接，以及粘合剂在所有这些过程中的作用。在光纤到光纤连接的情况下，如果使用合适的粘合剂，BKT系统可能是一个可行的解决方案。目前正在研究几种钢纤维连接的潜在解决方案。Gestamp研发中心也使用其他基于激光的技术，如烧蚀和熔覆。

尽管目前主要采用的是触觉激光焊接技术，但Gestamp相信，远程激光焊接技术在未来将成为一项更强大的技术，通过优化材料连接工艺，将使车辆变得更轻。这是因为远程激光焊接可以显著减少盖法兰的宽度，这将导致更轻的零件，同时保持相同的性能。焊接过程将加快:远程激光焊接不需要填充材料。

展望未来，像Gestamp这样的公司对激光公司有一个要求:更多的输出功率。

该激光制造商的汽车用LBW的方法将其产品组合的一部分用于汽车的移动性应用，即电动动力总成、功率控制模块、电池芯、电池组和各种其他大电流设备（图1）。要求焊缝在汽车的整个使用寿命内承受热膨胀和振动。应用中的典型材料是铝和铜。采用1?m激光器，特别是可调环形光纤激光器，输出功率高达10 kW。在一根工艺电缆中有两束1?m激光束，其中一束来自光纤中心的传统高亮度激光束，由环形光束同轴环绕。两个梁在动态上相互独立，可以在整个焊接过程中进行调整，例如在功率方面。

例如，利用环形激光器对材料进行预热，当表面条件充分且1?m光束的吸收率特别高时，可以发射中心光束。独立调制范围从cw到5 kHz。这些激光器具有抗反反射能力，这意味着无需倾斜光学元件即可进行垂直焊接。它们可以减少飞溅和气孔，并且在焊接时可以很好地控制熔深。此外，可以在不过度加热材料的情况下将不同材料（如铝和铜）焊接在一起。这样可以确保接头相对空隙、飞溅和无气孔，从而改善电气和机械特性。Concert已经掌握了异种材料的焊接技术，并愿意在钛、黄铜和镀锌钢焊接以及任何与可移动性相关的应用方面进行合作。

Trumpf还致力于汽车和电子移动应用的LBW，尤其是电力电子、电池、模块和容器、发夹式电子驱动器和传动系部件以及燃料电池。在这一领域，除了传统的铝和钢焊接外，铜焊接也受到了极大的关注。Trumpf使用基于TruDisk系列倍频薄盘激光器的绿色激光器，输出功率高达2千瓦，光束质量非常高。这是他们最好的工具，与远程扫描光学相结合，用于在不同且稳定的焊接深度下快速焊接铜。绿色激光还可以应用于箔焊和混合金属焊接接头，特别是铝和铜，这需要非常稳定的焊接深度。

此外，多点激光焊接是当今的一个重要趋势，Trumpf凭借其获得专利的BrightLineweld技术（一种基于2合1光纤的系统，以1?m的速度提供高达16 kW的输出功率）维持了这一趋势（参见图2中的应用示例）。这种特殊的波导结构可同时提供两种焊点尺寸，具有完全可调的功率分布，可稳定所有材料的焊接过程并减少飞溅。钢焊接可以以每分钟超过20到30米的速度实现，而且效率很高。铜焊接的一个特别优点是能够低速或高速运行，确保焊缝光滑。Trumpf可以与光电子界合作，特别是与监控系统、传感器、数据处理等方面的专家合作，还可以与光学制造商合作，他们能够处理切割和焊接应用中的高功率、亮度和红外亮度（>20 kW），以及绿色波长下的高功率。

Nuburu的蓝色激光器在LBW中发挥着特殊作用，尤其是在电动汽车和电池的铜和铝焊接中。他们还拥有钎焊和热处理方面的专业知识。就汽车应用而言，使用如此短的波长是因为铜具有特别高的吸收率，从而实现高质量、无飞溅和无气孔的焊接，而无需应用光束抖动。这也适用于异种材料焊接，如电池中的钢和铜，具有一致且可控的穿透深度，由于仅使用几百瓦的蓝色激光功率，因此热负荷较低。

激光集成商在电子移动性方面的经验

Comau是FCA集团的成员之一，是先进工业自动化产品和系统的全球供应商。其产品组合包括用于电动、混合动力和传统车辆制造的技术和系统、工业机器人、协作和可穿戴机器人、自主物流、专用加工中心以及能够传输、阐述和分析机器和过程数据的互联数字服务和产品。他们是焊接头等复杂设备中激光系统的集成商，将混合热成像技术应用于在线实时质量监控和大数据处理。他们开发了一种软件，在录制的视频上使用人工神经网络，能够在不需要任何破坏性测试的情况下评估关节的质量。他们还致力于通过定制的软件设计提高过程稳定性。

Precitec是激光材料加工和光学计量的专家。他们的主要产品是用于切割和焊接的加工头，采用完全集成的传感器技术来监控工业应用中的激光过程。Precitec设备可应用于电子移动性的许多应用中，其中激光工具可用于多个过程，如电池接触焊接（铜/铝）的实时过程控制，或检测故障等。通过将OCT技术应用于激光材料加工，展示了公司的创新能力。该公司是OCT从医疗技术向工业生产转移的先驱者和推动者，他们的成功证明了他们的正确性。OCT传感器的使用使客户能够以?m分辨率实时测量熔深和/或地形，而不受焊接排放的影响。成熟的turn-key系统，如钥匙孔导向器或Weld Master，是奥迪工业应用中运行的工具，用于焊接铝6xxx系列，无需额外填充焊丝。该应用的核心是连续测量焊缝几何形状，并在此基础上调整振荡频率和宽度以及激光功率。其中一个应用是使用Weld Master关闭电池单元模块，该模块安装在奥迪e-tron下方，在那里，电子束振荡和功率控制确保焊缝无裂纹和气孔。由于通过在线控制将质量检查整合到生产过程中，没有填充焊丝会导致热量减少47%，并显著降低运行成本和生产时间。

新技术和欧洲资助项目的作用

许多因素对实现有效和精确的焊接起着作用。其中之一是激光束如何到达待治疗区域。Civan公司已将这方面的创新技术推向市场。它们提供1?m和532 nm的单模激光器，输出功率分别为10至30千瓦和500瓦。两种波长的高功率都是通过相干光束组合实现的，在相干光束组合中，许多光束可以被放大，然后组合成一个单模输出，并控制光束形状、位置和焦距。他们使用光学相位阵列技术来实现这一点，通过多个激光器产生远场衍射图案，通过不同的相位调制器控制相对相位，可以任意定义输出最大值的形状和位置。该系统由特定软件驱动，能够非常动态地实现从kHz到MHz的振荡频率，并实时改变光束形状、焦距或速度，实时调整钻孔、焊接和切割不同材料（见图3中的示例）。未来，他们计划增加一个动态监测系统，该系统与动态参数变化一起，将允许实时闭环监测。

图3利用Civan的动态梁和三个相应的关节轮廓的可能光束整形示例。(来源:Civan)

这项技术是工业4.0的一个明显先兆，欧盟委员会在支持此类开发方面表现出了极大的兴趣。因此，欧洲层面的许多集体倡议也在“先进制造”的保护伞下推动LBW。其中一个被称为PULSATE，这是最近根据GA 951998在Horizon 2020年批准的欧洲项目，将于2020年秋季启动。该项目的目的是将欧洲的许多数字创新中心与基于激光的制造技术（包括LBW）方面的专业知识联系起来，并惠及所有希望适应数字制造和工业4.0环境的中小企业，他们将激光视为关键的使能技术，但由于缺乏测试能力而无法实施。