文 / 高辉、吴泽锋、李俊、汪军，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司
近些年，激光器功率大幅提升，连续光纤激光器输出功率都到了100 kW级，脉冲光纤激光器也已达2 kW级，工业应用的皮秒激光器可达百瓦级，飞秒激光器也达数十瓦。各类激光器的工业应用不断深入拓展。同时，激光器价格的大幅度下降，使激光器在工业界日益成为新的、可被接受的工具，成为常规的加工方法：打标、深雕、切割已经完全成熟，激光焊接正在高速发展，激光清洗显示出非常广阔的市场，超短脉冲激光已经进入工业领域。本文分别叙述几个代表性的应用。
在材料连接领域中，高功率激光焊接迅速发展，尤其是在传统汽车制造业、新能源汽车制造业，激光焊接已经非常成熟。而未来在航空航天工业、船舶建造工业、石油化工工业等领域中的需求将会逐步增大，推动相关产业的技术升级。
目前激光焊接占比最大的行业是在汽车制造行业中，而这一现状在未来几年内不会发生改变，市场将继续保持巨大的需求量。激光焊接技术包含激光自熔焊、激光填丝熔焊、激光填丝钎焊、远程扫描焊接、激光摆动焊接等。通过这些激光焊接技术，可以提高车身精度、刚度以及一体化程度，进而实现车辆的轻量、节能、环保和安全[1]。
现代汽车生产制造通常采用自动化生产线的方式，无论哪个环节出现停机事故，都会造成重大损失，这也对各个生产环节装备的稳定可靠性提出了极高的要求。作为激光焊接设备的核心单元，激光器需要具有输出功率的高稳定、多通道、抗高反或防高反能力等。锐科激光在这个方面做了很多工作，生产出了稳定可靠的焊接设备。图1左为乘用车车顶焊单元工位，右为其中的焊接用激光器。
新能源汽车行业发展迅猛，全球及国内销量稳步增长，其核心部件如动力电池、驱动电机需求量也与日俱增，如图2所示。
图2 国内2018-2030年新能源汽车销量及驱动电机装机量和预测
（数据来源：中汽协、工信部、合格证数据、东方证券研究所）
无论是动力电池还是驱动电机的制造，均有大量的激光焊接需求。方形电池、圆柱电池、软包电池、刀片电池等这些动力电池的主要材料均是铝合金及紫铜，而且Hair-Pin电机是驱动电机的未来发展趋势，这种电机的绕组及电桥均是紫铜材料。对于这两种“高反材料”的焊接一直都是难题，即使采用激光焊接，依然存在痛点——焊缝成型、焊接效率、焊接飞溅。
为了能够解决这些问题，人们进行了大量的研究，包括焊接工艺的摸索、焊接头的设计[2]等等：通过调整焊接工艺、选择不同的聚焦光斑可以改善焊缝成型，可一定程度上提升焊接效率；通过设计各种独特的焊接头，比如摆动焊接头、双波长激光复合焊接头等，可大大改善焊缝成型、焊接飞溅，更大程度提升焊接效率。但随着需求量的快速增长，焊接效率依然不能满足要求。各大激光光源公司通过对激光器的技术升级，推出了光束可调激光器。这种激光器具备两束同轴的激光束输出，两者能量配比可以任意调节，在焊接铝合金及紫铜时可以获得高效、无飞溅的焊接效果，完全满足新能源汽车行业的当前需求，这将是该行业未来几年的主流激光器，如图3所示。
（a）Hair-Pin驱动电机铜扁线定子绕组 （b）光束可调激光器
（c）方形电池Pack生产线
图3 光束可调ABP激光器应用于新能源汽车行业
中厚板焊接是未来激光焊接的一个重大突破方向，在航空航天、石油化工、船舶建造、核电设备、轨道交通等行业中，中厚板焊接的需求巨大，前些年受限于激光器的功率、价格以及焊接工艺技术，在这些行业中激光焊接应用推广的速度非常慢。近两年来，中国工业的产业升级、制造升级的需求也越来越紧迫，提质增效是各行各业的共同诉求，激光-电弧复合焊接被认为是中厚板焊接最有前景的技术之一。
如图4所示，激光-电弧复合焊具有更高的焊接速度、更大的熔透厚度、更少的热输入量、更好的焊缝质量，经过众多研究学者以及相关从业者的努力，激光-电弧复合焊接技术越来越完善，已经在汽车制造、船舶建造、航空航天装备制造、石油化工管道、轨道交通等领域进入了工程化应用[3]。图5所示为船板激光-电弧复合焊接生产及常用激光器。同时国产超高功率20 kW激光器已经成熟并应用于激光切割。随着激光器的国产化程度不断提高，价格大幅度下降，激光焊接用于中厚板焊接领域已经具备必要的基础条件，未来必然会成为爆发点。
图4 激光-电弧复合焊接示意图
图5 船板的激光-电弧复合焊接生产线及20 kW激光器
激光清洗是基于激光与物质相互作用发展而来的一种新兴的绿色清洗技术[4]，具有环保无污染、高效、适用范围广以及可集成程度高等优点。在全球都倡导“碳中和”理念的大环境下，激光清洗将会逐步替代传统清洗方式。
根据激光清洗所用激光器类型，激光清洗可分为脉冲激光清洗、连续激光清洗以及连续-脉冲复合清洗。当前研究应用最广的当属脉冲激光清洗，但是受限于功率，在一些大尺寸工件、大涂层厚度上，清洗效率不够。同时，目前工业常用连续激光器功率已达30 kW，因此锐科激光公司尝试将高功率连续激光用于激光清洗，并研发了清洗工艺技术及装备，如图6所示。
图6 连续激光清洗加工头及常用激光器
研究表明：连续激光清洗可以有效地清洗金属表面的油漆层和金属锈层，对比脉冲激光清洗，清洗效率大幅度提高，但是随着激光器功率的提高，清洗过程中伴随着较大的热影响，金属基材表面会出现严重的氧化现象。如图7所示，因为振镜的速度已经调整到最大，继续提高清洗速度，就会出现激光条纹和清洗残留。
目前，国内外技术成熟的高功率振镜，其速度大都不会超过10000 mm/s，这是制约高功率连续激光清洗发展的一个重要因素，也是未来配套设备技术迭代需要解决的问题。总之，高功率连续激光清洗是一种非常有潜力的激光技术，尤其是在汽车生产、高铁轮对检修、船舶建造、海洋装备等领域具有广阔的应用前景。
图7连续激光清洗油漆涂层的宏观效果（左图）和 6 kW清洗的100X微观图（右图）
工业上，一般将脉宽小于1 ns的激光器称为超短脉冲激光器。由于脉冲短，峰值功率高，作用在材料上的时间短，在加工过程中热影响非常小，因此被称为“冷加工”。基于这个特性，超短脉冲激光器在处理硬脆材料、超薄材料和柔性材料上的优势非常明显。
超短脉冲激光切割玻璃、蓝宝石等透明材料的应用工艺技术非常成熟，应用市场也在飞速扩张。将激光调整成贝塞尔光束，使其焦深大于材料的厚度，激光加工过的位置会产生改性区。随后在外界应力的作用下，材料沿着加工轨迹裂开，即完成了切割。如图8所示，超短脉冲激光切割玻璃，表面无裂纹，崩边控制在10 μm以内，横截面均匀。现有的成熟市场主要集中在半导体行业的蓝宝石衬底切割、3C消费电子的玻璃盖板和显示面板切割等领域。随着对厚玻璃切割能力的提升，汽车玻璃和建筑玻璃的超短脉冲激光切割正逐步取得传统的玻璃切割。
图8 切割上表面（左图）和切割横截面（右图）
超短脉冲激光对硬脆材料的加工能力不仅体现在切割或者打孔上，还可以体现在透明硬脆材料的焊接上。图9为超短脉冲激光焊接玻璃的样品展示。左图为焊接外观，右图为做完强度测试后的焊接样品；图10左图为显微镜下的焊缝，右图为显微镜下观察到的焊接横截面。可以看到超短脉冲激光器焊接透明硬脆材料不需要中间焊料，不会对材料带来其它应力，焊接强度高，密封性好，在微波电子元器件的玻璃管壳封装和生物医学芯片的封装应用中潜力巨大。
图9 超短脉冲激光焊接玻璃样品外观（左图）和强度测试后的样品（右图）
图10 显微镜下的焊缝（左图）和显微镜下的焊接横截面（右图）
利用超短脉冲激光器加工柔性电路板上的PI覆盖膜是成熟的超短脉冲激光器应用市场之一。超短脉冲激光器加工PI覆盖膜，切割精度高、材料无变形，能够大幅提高产品质量，降低生产成本。对于多层复合结构的柔性薄膜材料，超短脉冲激光器加工的优势依然明显。如图11所示，其热影响小，切割界面清晰，不易产生短路等缺陷。随着折叠屏的推广和可穿戴显示技术的发展，超短脉冲激光加工柔性薄膜材料的需求也会大幅增长。
图11 超短脉冲激光器加工PI覆盖膜
虽然超短脉冲激光器加工精度高、质量好，但是目前超短脉冲激光器的功率不高，在某些应用上加工效率较低。随着超短脉冲激光技术的发展、超短脉冲激光器功率的提升，并行加工技术受到了广泛关注。并行加工，就是将一束光分为多束光同时加工。实现并行加工的技术路线有很多种，目前用的最多的，要数利用衍射光学元件或者空间光调制器的技术。图12左图为使用空间光调制器的的激光加工系统示意图，右图为达曼光栅原理示意图[5]。图13是超短脉冲激光并行加工的一次成型二维码，无需振镜扫描。并行技术使超短脉冲激光器加工效率成倍提升，有望将超短脉冲激光加工技术推向更多的应用领域。
图12 基于空间光调制器的分束应用示意图
图13 用空间光调制器分光的超短脉冲激光并行加工的一次成型隐码
激光技术具有广阔的应用前景，尤其是激光加工技术在工业领域的应用，有助于产业链的升级，并向智能制造发展。在这一进程中，有这样几个方向值得关注：
（1）激光器及上游器件的全面国产化，以锐科激光为首的国内激光器制造商正在实现这个目标；
（3）激光应用工艺技术的提升以及激光加工在工业领域中的普及；
（4）配套产品的国产化，包括加工头、数控系统、机器人等等。
高 辉，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，副总工程师，主要从事激光应用工艺技术方面的研究工作；
吴泽锋，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，副主任工程师，主要从事激光焊接工艺技术方面的研究工作；
李 俊，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，高级工程师，主要从事超短脉冲激光应用工艺技术方面的研究工作；
汪 军，武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，工程师，主要从事激光清洗工艺技术方面的研究工作。
[1] 段东磊. 激光焊接技术在汽车制造中的应用现状及发展趋势[J].世界制造技术与装备市场，2019(5):38-44.
[2] 深圳市联赢激光股份有限公司. 一种复合激光焊接头[P].中国专利：201921474761.5，2020-6-26.
[3] Acherjee B. Hybrid laser arc welding: State-of-art review[J]. Optics & Laser Technology, 2018(99): 60-71.
[4] 俞鸿斌，王春明，张威，等．激光清洗应用发展现状及展望[J].电焊机，2014，44(10) : 80-84.
[5] Z.Kuang，et al. Ultrafast laser parallel microprocessing using high uniformity binary Dammann grating generated beam array[J]. Applied Surface Science 273(2013)101-106.
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