據悉，利用空間和時間功率調制，可以在工藝效率、質量和焊縫幾何形狀方面獲得新的自由度，這對于電池和電力電子產品生產中日益增長的電動性要求尤為重要。通過有針對性地同步這兩種補償方法，可以使用協(xié)同效應，并克服可能出現(xiàn)的任何限制。
激光束焊接作為一種成熟的連接技術早已進入工業(yè)領域，最近用于重要的應用領域，如電池的接觸或燃料電池技術的雙極板焊接。接頭的不同要求和設計理念要求采用能夠可靠滿足邊界條件的柔性連接技術。借助于空間和時間功率調制，可以擴展過程的自由度，也可以影響接縫形狀以及過程穩(wěn)定性。
多年來，激光束微焊接在世界各地的研究和工業(yè)領域中一直受到越來越多的關注。近紅外范圍內高亮度激光束源的發(fā)展以及光纖激光器價格持續(xù)下跌的發(fā)展促成了這一趨勢。借助這些具有非常好的聚焦能力的光束源，光束直徑僅10μm，由于最大可用激光功率不斷增加，從而產生更大的強度。如今，使用節(jié)省空間的19英寸機架，可以實現(xiàn)超過400 MW/cm2的強度。這些高強度在焊接銅和鋁時特別有用。由于材料特性，即使在近紅外波長范圍內吸收系數(shù)較低，高強度也會產生深焊效果。這些高強度加上較小的焦徑，導致焊縫橫截面較小，這通常對導電連接不利。
一方面，這種情況對電池技術和電力電子設備中的觸點是不利的——由于要傳輸?shù)母唠娏?，這里需要較大的接縫寬度和連接區(qū)域。電池驅動車輛的充電時間與流經電池組而不會導致熱過熱和電池相應損壞的最大電流直接相關。
另一方面，在燃料電池技術中焊接雙極板的應用中，正是這些小焦徑和由此產生的小焊縫寬度要求將流場設計調整到更高的效率，即使焊縫是電氣連接的一部分。這是因為較小的焊縫寬度導致流場中的結構間隙縮小，從而導致更大的反應面積，從而提高最終燃料電池的效率。
工藝流程說明(熱傳導和深熔焊)。
用于更大連接區(qū)域的空間功率調制
那么，如何在焊接過程中增加焊縫的連接面積，而不損失深焊工藝所需的強度呢?解決方案是空間功率調制。這是一種疊加在線性進給方向上的環(huán)形振蕩，它產生了激光束的螺旋路徑運動。這種形式的運動直接導致了幾個積極的影響：首先，由于路徑運動，已經熔化的材料再次被激光束重新處理。這樣，已經被吸收到材料中的能量就被部分地重新利用了。與僅使用線性路徑幾何形狀的傳統(tǒng)焊接相比，這會導致更大的熔池體積。其次，由于高振蕩頻率(f=1000 Hz)，實現(xiàn)了影響小孔傾斜的高路徑速度(v>700 mm/s)，從而通過光和物質之間的多重相互作用進一步增加了深焊效應期間的能量輸入。第三，用于描述激光束振蕩螺旋軌跡的振幅和頻率這兩個附加參數(shù)為焊縫幾何形狀提供了設計自由。因此，傳統(tǒng)焊接V形變成U形。這意味著，如果焊接過程中存在局部波動，對連接寬度的影響很小。
總之，空間功率調制的這些積極方面使得工藝效率顯著提高。在相同的焊接時間和相同的激光功率下，可以增加熔化體積。在研究二氧化碳減排產量時，這一方面尤為重要。因此，提高工藝效率，同時將所需電能降至最低，將成為未來全球研究的首要考慮因素。
然而，激光束不對稱螺旋軌跡的缺點是，在一次振蕩中，線能量不同。激光束在進給方向的較高路徑運動導致較低的局部能量輸入，反之亦然。這會導致橫向于進給方向的焊接深度波動。
激光微細焊接的空間功率調制說明。
時間功率調制及其對過程的影響
影響激光束焊接過程的另一種方法是時間功率調制?；旧?，脈沖激光束源的脈沖整形和連續(xù)激光束源激光束過程中激光功率的時間變化是有區(qū)別的。
雖然時間脈沖成形主要用于脈沖束源，以影響凝固過程中的熱性能和冶金性能，但它用于整個焊縫長度的連續(xù)縫焊。連續(xù)時間功率調制最廣泛的實現(xiàn)方式之一是在激光功率上疊加正弦調制。調查表明，焊縫質量的改善以及焊接深度波動的減少，尤其是在頻率<1 kHz時。
除了質量和精度特性的補償外，時間功率調制還可用于具體影響焊接深度，并與前面提到的功率斜坡一樣，使其適應應用。
用于焊接深度目標控制的同步空間和時間功率調制總結而言，現(xiàn)在可以說明，在激光束微焊接中，可以使用兩種不同的補償策略，這兩種策略可以分別顯著提高精度和質量的穩(wěn)定性。然而，由于非對稱的路徑幾何形狀，空間功率調制有相當大的缺點。這種影響可以通過與時間功率調制同步應用來減少。這樣，不僅可以對稱地生成相應的焊縫橫截面，而且可以在連接不同材料時校正焊縫的材料特性。由此產生的接縫幾何結構在很大程度上取決于材料的吸收、導熱、熔點和比熱容等特性。
兩種功率調制的同步在技術上具有挑戰(zhàn)性。由于空間功率調制可以實現(xiàn)高達4 kHz的頻率，因此時間功率調制必須在相同的頻率范圍內工作。因此，必須以一微秒的精度校準這兩個控制信號，這需要精確了解掃描儀反射鏡的位置和發(fā)射的激光功率水平。
通過疊加空間和時間功率調制，精確調整焊縫幾何形狀：具有空間功率調制的焊縫(a);具有空間和時間功率調制(b)的焊縫，
具有空間和時間功率調制(c)的焊縫，在不同材料組合中的焊縫傾斜補償(d，e)
上圖顯示了通過對相同(1a-1c)和不同(1d-1e)物種應用空間和時間同步功率調制進行對稱設計的結果。圖a和1d均顯示了僅采用空間功率調制的焊縫橫截面積。
通過選擇性地疊加空間和時間功率調制，除了增加連接橫截面外，還可以在橫截面(W形或V形)中生成其他焊縫幾何形狀。初始幾何形狀(如圖a所示)顯示了橫截面右側的傾斜。通過擴展局部功率調制與時間功率調制的疊加，可以在焊縫橫截面中生成W形和V形輪廓(b、c)。例如，這可以用于將敏感組件連接到具有更具針對性的能量輸入的I型接頭布置中。這些措施還可以將異種材料系統(tǒng)中的焊縫熔深差從58%降低到17.7%(d、e)。然而，在某些工藝參數(shù)和材料組合的情況下，局部功率調制會導致孔隙形式的缺陷。這需要根據材料和連接組合詳細調整激光參數(shù)。
激光微焊接的新設計可能性
時間和空間功率調制的兩種補償方法已經提供了提高處理效率和質量的策略。這兩種方法的結合以及兩種變化方法的精確同步，為接縫設計提供了全新的自由空間?？梢杂嗅槍π缘乜刂聘鬟B接伙伴中的能量輸入，即使材料性質有很大差異，以便實現(xiàn)均勻混合和恒定鍵合。此外，單獨功率調制的優(yōu)點也發(fā)揮了作用，例如提高了處理效率和穩(wěn)定性。
在未來的激光束焊接中，我們將看到經典的圓焦點幾何形狀的更多變化。目前的發(fā)展包括改變光束形狀，使之成為動態(tài)調整或組合的圓形和環(huán)形焦點。我們將看到新的發(fā)展將如何開啟工藝動態(tài)調整的另一個篇章，并允許焊縫幾何形狀的進一步設計自由度——始終有可能與同步功率調制進一步結合。
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