日益互聯(lián)、精度更高的激光工藝正在攻克工業(yè)制造中的難題——從異種材料連接到部件傳感器集成，再到材料表面特性的功能化處理。

新型激光焊接工藝可實現(xiàn)船體異種金屬材料的永久連接

輕量化結(jié)構(gòu)制造商深諳鋼鋁材料可靠結(jié)合的難度，造船商也正為此困擾：為降低船體重量及能耗，船體結(jié)構(gòu)仍需鋼材保證穩(wěn)定性，而上層建筑卻日益采用鋁合金。這要求兩種材料必須形成與船舶壽命持久的永久性連接。為此，德國漢諾威激光中心（LZH）聯(lián)合Coherent高意、Precitec、B.I.G.等工業(yè)伙伴開發(fā)了新型激光焊接工藝。

噴油嘴精密微鉆孔加工（采用飛秒激光及五軸掃描系統(tǒng)）

該工藝的核心是采用交叉激光束輸出的激光加工頭。焊接過程中，X形錨固結(jié)構(gòu)會深入表層搭接焊縫下方的鋼鋁復(fù)合材料數(shù)毫米。通過工藝發(fā)射光譜分析和短相干干涉測量技術(shù)，可對過程進行精準(zhǔn)監(jiān)控。即使材料存在差異，也能精確控制契合式咬合結(jié)構(gòu)的材料滲透深度。

完全監(jiān)控、精確控制且獨立

這種由光子學(xué)儀器提供的激光工藝精密計量監(jiān)測，正是現(xiàn)代激光制造工藝的獨特之處。它使工業(yè)4.0的愿景——完全網(wǎng)絡(luò)化、100%質(zhì)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)過程——成為現(xiàn)實。

另一個例子來自SCANLAB，他們開發(fā)了一種新型激光微鉆孔頭，與STOBA定制機械的光學(xué)測量系統(tǒng)相連。該系統(tǒng)持續(xù)評估測量數(shù)據(jù)，以便在加工過程中實時調(diào)整參數(shù)，即使與目標(biāo)值僅有微小偏差也能及時修正。由于誤差無法再悄悄混入，這顯著減少了廢品率，并降低了質(zhì)量控制所需的工作量，使得五軸微加工系統(tǒng)非常適合全天候的工業(yè)應(yīng)用。

同時，由于實現(xiàn)了包括文檔記錄在內(nèi)的自動化成品檢測，該解決方案驚人地接近了近乎自主運行的智能工廠愿景。最重要的是，與測量系統(tǒng)配合使用的飛秒激光器帶來了必要的靈活性，可在任務(wù)切換時實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

除了無縫的計量監(jiān)測外，光束整形也出現(xiàn)了新的可能性，例如Coherent高意的可調(diào)環(huán)形模式（ARM）技術(shù)。該技術(shù)通過光纖激光器發(fā)射一個中心點光束，外圍環(huán)繞另一個環(huán)形激光束。中心光斑和環(huán)形光斑的功率和調(diào)制可以相互獨立控制，并且能單獨開關(guān)。這使得即使像銅這樣難加工的金屬，也能用低成本的紅外激光器實現(xiàn)高精度無飛濺加工。

其背后的機理是由于銅對紅光的吸收率低，通常需要使用綠光或藍(lán)光固態(tài)激光器。而ARM工藝通過環(huán)形光束預(yù)熱金屬，優(yōu)化其吸收特性，從而有利于后續(xù)中心光斑的精密加工。這種靈活的光束整形能力，使紅外光纖激光器成為一種可行的技術(shù)替代方案——這正是汽車等行業(yè)迫切需求的。

隨著電動化轉(zhuǎn)型，銅已成為電機、電池、轉(zhuǎn)換器及其線路的標(biāo)準(zhǔn)材料。行業(yè)需要能夠適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)流程的解決方案，在保持每秒數(shù)十厘米常規(guī)加工速度的同時，實現(xiàn)符合最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)材料連接。

生產(chǎn)力至關(guān)重要

目前，位于德國亞琛的弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所及其合作伙伴正在推進的各項項目表明，激光工藝中仍存在尚未發(fā)掘的生產(chǎn)力潛力，而這些潛力可以通過創(chuàng)新手段加以釋放。這包括利用超短脈沖（USP）激光實現(xiàn)的高速率激光燒蝕技術(shù)。本質(zhì)上，該技術(shù)非常適合為高質(zhì)量材料連接（例如鋰離子電池電極接觸）奠定基礎(chǔ)。

為消費電子設(shè)備供電的鋰離子電池在生產(chǎn)線上需采用多種電池規(guī)格，這對電池制造商提出了技術(shù)挑戰(zhàn)，必須以更高的生產(chǎn)效率實現(xiàn)多樣化生產(chǎn)。核心生產(chǎn)工序是在金屬基材箔上涂覆活性材料。該涂層是將數(shù)微米厚的漿料涂布于銅箔或鋁箔表面，但需保留特定區(qū)域不涂覆以形成電極觸點。

為此，涂覆工藝必須反復(fù)啟停以制造這些極耳。而更簡便的做法是先均勻涂覆活性漿料，再通過加工暴露接觸區(qū)。超短脈沖燒蝕技術(shù)因其冷加工特性和高精度優(yōu)勢，可避免損傷極薄金屬箔，成為理想選擇。但此前的燒蝕速度始終無法滿足需求。

這一技術(shù)挑戰(zhàn)正推動市場對尺寸形狀日益多元化的鋰離子電池需求，因此電極生產(chǎn)線必須兼具高速與柔性。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所微納結(jié)構(gòu)研究組研究員Karsten Lange博士解釋道：解決方案之一是實現(xiàn)整面涂覆后，通過激光精確暴露所需電接觸區(qū)域。過去由于燒蝕工藝效率不足，該激光方案未能實現(xiàn)。更重要的是，激光燒蝕質(zhì)量無法滿足易焊接觸點的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

基材箔厚度為6-15μm，產(chǎn)線傳送帶速度通常達(dá)60m/min，因此激光工藝必須以高生產(chǎn)率暴露觸點，且不得殘留任何碎屑或損傷精密箔材。研究所采用超短脈沖激光，以高達(dá)1760mm3/min的速度去除10μm厚銅箔上的石墨基陽極材料，且不造成基材損傷。新一代多千瓦級超短脈沖激光系統(tǒng)有望將燒蝕速率進一步提升。如今，該技術(shù)已經(jīng)真正具備了工業(yè)化應(yīng)用的條件。

同樣的情況也適用于完全相反的工藝，由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所同步開發(fā)的超高速激光熔覆技術(shù)（EHLA），通過激光在氣流中熔化金屬粉末并將其沉積到金屬表面。例如，該技術(shù)能以高達(dá)500m/min的速度，精準(zhǔn)施加至少25μm厚的防護層，使高負(fù)荷部件區(qū)域獲得抗腐蝕和耐磨損特性。在此過程中，鋁和鈦等冶金不相容金屬也能形成耐熱影響的永久結(jié)合層。

目前，該研究所的研究人員正與航空和機械工程領(lǐng)域的合作伙伴共同推進，使EHLA技術(shù)能夠應(yīng)用于具有高堆積速率的增材制造領(lǐng)域。在金屬增材打印工藝中，研究人員還將傳感器和執(zhí)行器集成至金屬部件內(nèi)部。這些智能組件被安裝在德國鐵路列車車門機構(gòu)、減震器和輪軸軸承上，通過人工智能支持的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實時采集溫度和加速度數(shù)據(jù)。

采用新型多光束雕刻系統(tǒng)制作的大幅面（1m×1.5m）壓花模板

多光束系統(tǒng)與自動化大批量加工

弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所與EdgeWave公司聯(lián)合開發(fā)的另一項極具突破性的技術(shù)方案，有望顯著提升激光加工的生產(chǎn)效率。該多光束系統(tǒng)最初將單束激光分割成為了16個子光束，現(xiàn)已升級至64個子光束。這些子光束可實現(xiàn)并行獨立控制，用于功能性表面的微結(jié)構(gòu)加工。

高亮度紅外ARM激光焊接銅材截面（輸出功率3.5kW，焊接速度300mm/s）

采用4kW ARM激光在不同焊接速度（自上而下300-150mm/s）下于拋光和噴砂銅板上獲得的均勻焊道

搭載超短脈沖激光的燒蝕工藝將極大提升加工效率

該系統(tǒng)的核心是EdgeWave公司提供的500W超短脈沖激光器，其輸出光束通過特殊光學(xué)元件分配至數(shù)十個子光束。每個子光束均保持相同的初始參數(shù)，同時支持獨立調(diào)制，所有光束均可單獨啟停。據(jù)研究所介紹，這種新型多光束系統(tǒng)不僅適用于電池與氫能技術(shù)領(lǐng)域，還能用于飛機機翼和風(fēng)力渦輪機葉片的大面積表面結(jié)構(gòu)化處理，從而有效降低空氣阻力。

通快近期宣布已實現(xiàn)激光生產(chǎn)效率的顯著提升，具體體現(xiàn)在一套全自動鈑金切割系統(tǒng)上。該系統(tǒng)通過激光沖裁技術(shù)，可無人化精準(zhǔn)加工高達(dá)25噸的卷板材料，且廢料率極低。相較于傳統(tǒng)機械式?jīng)_壓設(shè)備——每項新任務(wù)或工藝變更都需更換模具——該激光系統(tǒng)展現(xiàn)出高度靈活性，無需耗時耗材的模具再造即可完成加工程序切換。

由于激光切割路徑可實現(xiàn)最優(yōu)排樣，通快宣稱該技術(shù)可降低高達(dá)30%的原材料需求。在以往由機械沖壓主導(dǎo)的大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域，激光沖裁正成為快速、低成本的替代方案。這項網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字控制的激光工藝，正為工業(yè)4.0的實現(xiàn)鋪設(shè)又一塊基石。

來源：榮格-《國際工業(yè)激光商情》

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