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近年來，激光焊接技術已廣泛應用于國防、船舶、航空航天及醫(yī)療等行業(yè)，并且應用范圍還在不斷拓寬。工業(yè)界對激光焊接的質量要求越來越高，激光焊接在大功率、高速及高反材料焊接等條件下極易產生焊接飛濺。有效地控制激光焊接過程的飛濺缺陷，對于提升激光焊接質量、拓寬應用領域具有重要意義。點環(huán)光作為一種新型激光光束模式有望成為解決上述問題的有效手段，成為常規(guī)激光焊接的有效補充。點環(huán)最開始由美國相干公司大概在14年左右開發(fā)出有應用，然后在19年左右開始有一定量的進入市場，20年左右開始進入鋰電行業(yè)，目前動力電池頂蓋滿焊正在大量采用這種新型激光加工技術進行焊接

點環(huán)激光實質上是可調環(huán)模激光，他可以實現內外環(huán)激光的獨立輸出。但是由于專利的問題，不同廠家也叫不同的名字。例如相干的ARM,IPG的AMB,通快的BrightLine Weld，寶辰星的MFMC等。如下所示是點環(huán)激光的光束形式和定義（圖片來源IPG）

目前主流激光公司廠家推出點環(huán)激光設備主要通過以下方式實現點環(huán)光束模式的輸出：同軸單光纖直接輸出、激光器內置光纖耦合器輸出、通過激光器內置集成光閘等。如TRUMPF的BrightLine weld就是采用“Bright Line”光纖為二合一激光光纖（LLK），能將激光功率靈活分配到二合一光纖的纖芯和環(huán)路，內層纖芯產生高質量的點光束；外層環(huán)芯產生輔助環(huán)形光，根據實際需要調整總激光功率及點環(huán)功率配比。兩種點環(huán)光纖典型纖徑分別為內層纖芯芯徑100μm，外層環(huán)芯芯徑為400μm及內層纖芯芯徑50μm，外層環(huán)芯芯徑為200μm。當然隨著科學技術的進步，現在也演變到14-100μm，50-150μm，100-300μm等。

點環(huán)配比對鋁合金激光焊接焊縫成形影響規(guī)律

一、總功率固定不同點環(huán)功率配比下的焊縫成形

通過測量焊縫上表面粗糙度結果，發(fā)現隨著環(huán)光功率占比的逐步增加，焊縫上表面粗糙度顯著下降，純環(huán)光參數焊縫上表面相比純點光焊縫，粗糙度下降了近 70%。

不同點環(huán)功率配比點環(huán)激光焊接接頭縱截面表示在常規(guī)激光焊接條件下，焊縫上表面存在明顯未填充焊接缺陷，沿焊接方向高低起伏較大；而隨著環(huán)光加入，焊縫上表面逐漸平整，同時可觀察到焊縫熔深隨環(huán)光占比的增加而明顯減小。

橫截面的圖形則表達了常規(guī)激光深熔焊接焊縫呈現典型的上寬下窄特征，而焊縫截面出現未填充現象說明在焊接過程中有較多熔融金屬液滴飛出熔池，形成焊接飛濺。環(huán)形激光加入后，焊縫橫截面上部未出現未填充現象，焊縫上部更為均勻，焊縫上部均勻性的提升也與上一節(jié)焊縫表面質量的提高結果一致。

值得一提的是：在點環(huán)功率配比為 66.7%點光（2kW 點光+1kW環(huán)光）50%點光（1.5kW點光+1.5kW環(huán)光）下，焊縫上部由寬到窄并未像常規(guī)激光焊接平滑過渡，而是存在明顯的加寬轉折點，即焊縫上部相比常規(guī)激光焊接進一步的加寬，整體呈“沙漏狀”形貌。當環(huán)光功率超過點光功率時，焊縫形貌開始過渡到環(huán)形激光焊縫形貌。在點環(huán)功率配比為33.3%點光（1kW點光+2kW環(huán)光）時，焊縫兩側逐漸傾斜，焊縫底部呈現與常規(guī)激光不同的兩側非平行焊縫。而在純環(huán)光下，焊縫形貌呈碗狀，已經失去了常規(guī)激光深熔焊接的基本特征。

二、點光功率固定下點環(huán)能量配比對焊縫成形影響規(guī)律

根據不同點環(huán)配比參數下焊縫上表面的粗糙度 Rz值圖的結果，環(huán)形激光加入起到降低焊縫上表面粗糙度的作用，有助于獲得成形均勻性更優(yōu)的焊縫上表面。在環(huán)光功率250W-750W參數下，焊縫上表面粗糙度有效降低，改善程度達到20%-30%。當環(huán)光功率進一步增加至1000W及1500W時，焊縫上表面粗糙度再次增加，改善效果降低。表面粗糙度的變化規(guī)律與前述焊縫宏觀形貌變化規(guī)律相吻合。從焊縫上表面形貌觀測結果來看，點光功率占比80%-90%間鋁合金點環(huán)激光焊接焊縫獲得了較好的焊縫成形效果。

點光功率固定不同點環(huán)功率配比下的焊縫縱截面結果表面，在焊縫縱截面中焊縫在縱向上深度基本保持穩(wěn)定，因此認定用橫截面數據提取的焊縫尺寸如熔寬、熔深等信息具有可信度。此外，在常規(guī)激光焊接及環(huán)光功率 500W、1000W 條件下焊縫縱截面出現了明顯的氣孔缺陷，未觀察到點環(huán)光激光焊接對焊縫氣孔明顯的改善作用。

橫截面的金相實驗結果說明環(huán)光功率0-500W參數下，焊縫上部出現咬邊、未填充等缺陷，以上缺陷的出現說明在焊接過程中出現了較多的質量損失，很可能導致焊縫接頭性能下降，(a)-(c)所示。當環(huán)光功率過大（1000W-1500W），焊縫存在氣孔等缺陷，(e)-(f)所示。在 750W環(huán)光功率下，焊縫無明顯缺陷，橫截面成形良好。通過焊縫橫截面尺寸測定發(fā)現，當環(huán)光功率在 1000W 內時，焊縫熔深無明顯差異；焊縫熔寬隨環(huán)光功率的提升而逐步增加，最大熔寬增幅可達到 50%

鋁合金點環(huán)激光焊接飛濺抑制機理

一、常規(guī)激光溫度場及流場分布

如圖為純點光功率3kW，焊接速度 2m/min 工藝參數下采用數值模擬技術獲取的焊接溫度場、小孔開口直徑及小孔深度等信息。其中圖中所示紅色區(qū)域為高于5083鋁合金熔點（847K）區(qū)域，即為熔池區(qū)域。圖中白色區(qū)域為高于 5083 鋁合金沸點（2720K）區(qū)域，即為該時刻下匙孔表面入口。鋁合金激光焊接表面熔池整體呈橢球狀，匙孔前部熔池表面較為狹窄，長度僅有約 0.47mm；而匙孔后部熔池的液態(tài)金屬無激光束直接作用，熔池表面較寬，熔池后部長度約為3.85mm。因此在匙孔前部區(qū)域存在較大的溫度梯度，約為 750k/mm；而在熔池后部，溫度梯度較為平緩，約為400K/mm。

圖中紅色區(qū)域溫度高于5083鋁合金熔點（847K）即為熔池區(qū)域。在焊接速度方向上，熔池后部液態(tài)金屬流動區(qū)域較大，有利于液態(tài)金屬的流動模式更為平穩(wěn)；而垂直焊接速度方向，匙孔兩側液態(tài)金屬流動區(qū)域十分狹窄，在液態(tài)金屬從匙孔前部流動至后部熔池過程中，匙孔周圍區(qū)域液態(tài)金屬流動波動更為劇烈，焊接飛濺更容易生成。上述熔池液態(tài)金屬流動特征導致在中低速激光焊接中，大部分焊接飛濺缺陷生成于匙孔前部而非匙孔后部。

常規(guī)激光焊接過程中匙孔存在深度及入口直徑上存在相當劇烈的波動。匙孔深度的突變說明在焊接過程中匙孔出現了多次坍塌現象，匙孔閉合導致匙孔底部無法吸收激光能量，激光束集中于匙孔坍塌處，坍塌處液態(tài)金屬蒸發(fā)使匙孔再次打開，使得激光能量再次集中于匙孔底部。常規(guī)激光焊接匙孔不穩(wěn)定性使焊接飛濺、氣孔等缺陷傾向增加，為探究匙孔不穩(wěn)定性原因，提取了匙孔縱截面流場信息，如下圖所示。

激光焊接過程中，匙孔后部熔融液態(tài)金屬存在順時針方向的渦流，在渦流強烈作用下，匙孔后部液態(tài)金屬朝匙孔前壁方向橫向流動，形成匙孔后壁駝峰凸起。隨著激光束移動匙孔前方金屬熔化并蒸發(fā)，在匙孔前壁處也會形成駝峰凸起，而在匙孔前壁區(qū)域，液態(tài)金屬流動方向為向下流動，在渦流作用下前壁駝峰凸起逐漸向下移動。由于匙孔壁凸起的形成，激光束能量不再集中于匙孔底部而是集中于匙孔壁上的駝峰凸起處，在激光能量作用下，匙孔壁凸起液態(tài)金屬迅速蒸發(fā)汽化。導致在熔池流動更加劇烈，匙孔入口較為狹窄。當匙孔壁駝峰凸起接觸時便形成熔融金屬液橋，導致匙孔發(fā)生閉合，導致激光束無法作用于匙孔底部。

總的來說常規(guī)激光焊接過程中熔池定向流動導致匙孔壁生成駝峰，由于5083鋁合金本身材料特性及匙孔毛細不穩(wěn)定性，匙孔更容易發(fā)生坍塌閉合現象。常規(guī)激光焊接匙孔的不穩(wěn)定性及狹窄的匙孔入口是導致劇烈焊接飛濺現象的重要原因。

二、飛濺機理

圖中紅色區(qū)域部分代表該區(qū)域液態(tài)金屬溫度接近5083鋁合金沸點（2720K）。在匙孔穩(wěn)定時刻，熔池后部存在順時針方向液態(tài)金屬渦流；匙孔前部液態(tài)金屬呈向下流動狀態(tài)，匙孔前壁駝峰在流場作用下逐漸下沉至匙孔底部，如圖 (a)所示。匙孔底部及匙孔壁駝峰區(qū)域液態(tài)金屬溫度已接近5083鋁合金沸點，說明激光束能量集中作用于以上區(qū)域。當匙孔坍塌，激光束集中作用于匙孔閉合區(qū)域，該區(qū)域液態(tài)金屬溫度急劇升高至材料沸點，發(fā)生蒸發(fā)汽化。此時，熔池流動發(fā)生改變，匙孔前壁液態(tài)金屬流動方向由向下流動變?yōu)橄蛏狭鲃樱欢鄢睾蟛康囊簯B(tài)金屬渦流基本消失，熔池后部表面的液態(tài)金屬也成向上流動趨勢，如圖(b)所示。隨著匙孔頂部前后液態(tài)金屬受到重定向流動及逸出金屬蒸氣作用，動量不斷增大。當液態(tài)金屬動量的豎直分量足以克服熔池表面張力時，液態(tài)金屬脫離表面凸起形成焊接飛濺，如圖(c)所示。而從橫截面上看，匙孔兩側的液態(tài)金屬也呈現向上流動的趨勢，如圖(d)所示。隨著匙孔坍塌區(qū)域液態(tài)金屬的蒸發(fā)汽化，閉合的匙孔再次被打開，激光束重新作用于匙孔底部。熔池后部重新呈順時針渦流流動趨勢，如此往復。

常規(guī)激光焊接飛濺形成過程流程及溫度場分布

(a)匙孔穩(wěn)定狀態(tài)；(b)匙孔坍塌；(c)焊接飛濺產生；(d)匙孔橫截面

三、點環(huán)激光焊接熔池行為及飛濺抑制機理

通過對比常規(guī)激光焊接與環(huán)光功率750W點環(huán)光激光焊接的表面溫度場分布，在環(huán)光功率750W下，熔池后部564K-644K溫度區(qū)間面積更大，整體溫度梯度明顯較常規(guī)激光更為平緩，如圖所示。研究指出激光焊接后部熔池更大的相近溫度區(qū)間面積意味著匙孔與固體金屬之間的熔池區(qū)域更寬，促進了液態(tài)金屬更為平穩(wěn)順利地流動，熔池表面更為穩(wěn)定，有利于抑制焊接飛濺的形成。

不同激光設置下匙孔特征動態(tài)(a)匙孔深度；(b)匙孔入口直徑

在750W環(huán)光功率下，匙孔深度波動控制在了1.5mm內，入口直徑大小波動不超過200nm。統(tǒng)計結果表明，在環(huán)光功率750W下，匙孔尺寸在深度、入口直徑上的波動明顯小于常規(guī)激光焊接，穩(wěn)定性得到了顯著的提高。匙孔較好的穩(wěn)定性是有效抑制焊接飛濺現象產生的有力保證。

下圖為常規(guī)激光與點環(huán)激光焊接的流場對比，發(fā)現在常規(guī)激光焊接熔池表面產生凸起時，凸起內的液態(tài)金屬整體只有向上流動的趨勢，并未出現點環(huán)光激光焊接中的液態(tài)金屬回流現象，導致液態(tài)金屬脫離熔池最終產生焊接飛濺，如圖 (a)(b)所示。在匙孔橫截面的流場觀察中，同樣在點環(huán)光激光焊接條件下觀察到了熔池表面的液態(tài)金屬渦流；而在常規(guī)激光焊接條件下，液態(tài)金屬只存在向上的流動趨勢，如圖(c)(d)所示?？梢钥闯觯c環(huán)光激光焊接飛濺抑制作用最直觀體現在熔池表面凸起處液態(tài)金屬渦流，將凸起處液態(tài)金屬回拽至熔池中，而兩種激光作用下的液態(tài)金屬流動區(qū)別很可能與前文匙孔動態(tài)等結果不同有關。

常規(guī)激光與點環(huán)光激光焊接熔池流動對比

(a)點環(huán)光縱截面流場；(b)常規(guī)激光縱截面流場

(c)點環(huán)光橫截面流場；(d)常規(guī)激光縱截面流場

熔池表面凸起的形成是產生焊接飛濺的前提。凸起處液態(tài)金屬的動量主要來源于以下三點：匙孔尺寸的持續(xù)波動，匙孔與固液界面距離的改變增加液態(tài)金屬動量；第二、駝峰和匙孔閉合處劇烈的液態(tài)金屬蒸發(fā)，該處液態(tài)金屬重新定向后向上流動，推動表面熔池形成凸起。第三、金屬蒸氣從匙孔逸出過程中對匙孔壁的沖擊同樣帶來了其動量增加。

下圖為點環(huán)光激光焊接抑制機理示意圖。在點環(huán)光激光焊接條件下，匙孔波動劇烈程度顯著下降，減小了液態(tài)金屬動量。匙孔入口的擴大使得蒸汽逸出過程中，液態(tài)金屬受其沖擊方向的改變降低了其豎直分量大??；在以上兩點作用下增加了液態(tài)金屬的逃逸難度。此外匙孔穩(wěn)定性的明顯改善降低了匙孔閉合頻率，進一步降低了點環(huán)激光焊接的焊接飛濺數量。最終達到了抑制焊接飛濺、改善焊接表面成形質量的作用。