复合激光与环形光斑差异化应用

复合激光和环形光斑当下都在锂电领域得到大规模应用，具体各自的差异做个简单总结，希望能够启发工艺、扩展到其他行业进行应用。

首先看光源和光路设计上的差异：

环形光斑：激光通过特制的光纤传输至激光头，经过准直镜和聚焦镜后，于工件表面形成相应尺寸的光斑，该特制光纤由内外两部分光纤组成，分别负责传输中心高斯激光和外环多模激光，外部为低功率密度的环形激光，内部为高功率密度的圆形高斯激光，且中心激光和外环激光都能独立调节功率，根据工艺要求任意搭配。在同等激光功率和外部条件下，中心高斯激光的功率要远高于环激光的功率密度，因此，在可调环模式激光焊接过程中，高功率密度的中心激光主要用于产生匙孔而形成熔深，低功率密度的外部环激光主要用于稳定匙孔和熔池，影响熔宽和外观。

环形光斑可实现小光斑高能量密度的中心光束和较大环形光束任意组合搭配，芯径可根据不同深宽比、不同能量密度、不同速度、不同表面质量、不同间隙装配要求等任意搭配，常见芯径配比如图。

图片来自IPG官网

复合激光：通常是外光路去耦合，通过复合准直聚焦头，使得光纤激光（1060-1080）与半导体激光（大光斑平顶光束-450/532/915）经过不同光路从聚焦镜头重叠复合输出，得到复合光束。实际使用时可以根据具体工艺要求任意搭配两束激光，可选择不同光纤芯径、不同波段半导体激光进行搭配，多波长复合尤其适用于高反材料：铜、铝等,常用芯径比为20-400。两束激光同轴分布且两束激光的焦平面可以灵活调节，使产品焊后既具备半导体激光器焊接的光滑表面，又具备光纤激光器焊接的高深宽比。

图片来自论文[1]

将半导体激光束与光纤激光束经焊接头外部耦合后，可以通过调节折射镜片的位置角度对两束激光同轴度以及焦平面进行灵活调节，从而实现不同的复合形式，如下图所示。

红色分别为半导体激光光斑和光纤激光光斑[2]

半导体激光与光纤激光热源排列示意图[2]

不同形式的热源组合，实现不同热输入控制，可以抑制气孔、裂纹等缺陷。

从应用上看差异：

环形光斑：主打低飞溅：环形光束打在匙孔周围，导致金属液体快速蒸发，蒸发金属蒸汽给到熔池一个向下的反作用力，下压熔池开口，使得焊接过程熔池匙孔开口呈现“Y”型，从而抑制了熔池表面的播波动，降低了熔池波动盖住匙孔，遮挡匙孔内等离子体正常喷涌而出，从而降低飞溅发生概率，通过高速摄影研究发现，相比纯光纤（高斯能量分布）激光，环形能够将原来匙孔闭口时间占比由24%降到2%左右，匙孔闭合越少，飞溅发生几率越低，能够相比传统高斯激光能降低92%以上的飞溅，尤其是杜绝了由大飞溅导致质量损失而形成凹坑的缺陷[3]。

复合激光焊接：

主打多波复合：红蓝复合、915与1070复合、红绿复合等，主要是结合半导体激光器的高吸收率预热材料，从而实现对1070波长红光的吸收率大幅上升，同时由于半导体激光的功率密度相较于光纤激光较小，可以实现将稳定热导焊与深熔焊相结合，实现高反合金（铝、铜）的高效焊接，也同样能够实现低飞溅焊接。

图片来自联赢激光官网

激光复合焊示意图[4]

复合焊与高斯激光匙孔形态对比图[4]

激光之所以不稳定的主要特征就是匙孔的不规则波动、不规则形态导致接收激光的吸收率时刻在波动，金属蒸发量也时刻在波动，使得内部受力平衡处于极端不稳定状态，从而造成诸如气孔、飞溅等缺陷无法杜绝。从匙孔形态可知：复合激光焊接能够稳定时刻形态使得时刻呈现规则的上宽下窄的圆柱形态，时刻内部波动程度极大降低，受力平衡趋于稳定，焊接缺陷也得到极大抑制，直观表现为低飞溅、平滑焊缝表面。

应用工况差异：

•环形光斑：光路设计紧凑、稳定、调试简单、内外环芯经搭配灵活，可实现超高速焊接，能够匹配各种准直聚焦头、振镜。

复合激光：

•两套激光光源外光路集成、成本可控、两激光热源焦平面、间距、排列形式可自由搭配，能够对不等厚板、超薄搭接、高反合金等进行工艺调整；

•可搭配摆动头实现半导体不动，光纤自由摆动，在热源选择与分布上更自由，可实现各种热源分配适应各种特殊工艺；

•热影响区更大，能量利用率更高，外观光滑，对配合间隙要求低，降低气孔率，降低裂纹敏感性上有很大空间

1. Zhao, Y., et al., Stability enhancement of molten pool and keyhole for 2195 AlLi alloy using fiber-diode laser hybrid welding.Journal of Manufacturing Processes, 2023. 85: p. 724-741.

2. Yang, H., et al., Study on laser welding of copper material by hybrid light source of blue diode laser and fiber laser.Journal of Laser Applications, 2021. 33(3): p. 032018.

3. Wang, L., X. Gao, and F. Kong, Keyhole dynamic status and spatter behavior during welding of stainless steel with adjustable-ring mode laser beam.Journal of Manufacturing Processes, 2022. 74: p. 201-219.

4. Zhan, X., et al., Microstructure characteristics and mechanical properties of fiber-diode hybrid laser welded 304 austenitic stainless steel.Materials Science and Engineering: A, 2022. 854: p. 143884.