采用動(dòng)態(tài)光束成形技術(shù)的激光工藝，即使在復(fù)雜材料組合中也能形成穩(wěn)定接頭。近期應(yīng)用案例展示了如何在提升質(zhì)量、能效及生產(chǎn)邏輯的同時(shí)省去填充材料。弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所（Fraunhofer IWS）推出的激光焊接解決方案。其核心技術(shù)在于無(wú)需填充焊絲的智能引導(dǎo)光束工藝，該技術(shù)可直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景。當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋電動(dòng)汽車輕量化結(jié)構(gòu)、航空航天儲(chǔ)罐以及重型鋼結(jié)構(gòu)承重部件等行業(yè)。

當(dāng)前多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目正依托激光焊接技術(shù)推進(jìn)。通過(guò)精確調(diào)控激光束主動(dòng)調(diào)控熔池行為，徹底省去了填充焊絲的使用。“我們證明，即便是最嚴(yán)苛的焊接任務(wù)——例如難焊材料合金的連接或厚壁件的焊接——也能以更低的能耗、更少的材料消耗和更少的返工量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的加工，”Fraunhofer IWS連接技術(shù)部門負(fù)責(zé)人Axel Jahn博士表示，“高頻掃描技術(shù)、靈活功率調(diào)制與開(kāi)放式系統(tǒng)控制的結(jié)合，創(chuàng)造了傳統(tǒng)電弧焊接無(wú)法企及的設(shè)計(jì)可能性和應(yīng)用前景。”

鋁制電池殼體

在歐盟ALBATROSS項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhofer IWS開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的激光制造電池殼體，并成功實(shí)現(xiàn)全尺寸部件級(jí)驗(yàn)證。該輕量化設(shè)計(jì)將鋁擠壓型材與壓鑄鋁部件相結(jié)合，壁厚可達(dá)5mm。

傳統(tǒng)工藝在此組合中面臨物理極限：壓鑄易形成氣孔，而6000系列鋁擠壓合金則易產(chǎn)生熱裂紋。“我們的解決方案依托激光束的定向振蕩技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)熔池減少氣孔，形成冶金穩(wěn)定的焊縫，”Jahn解釋道，“這使我們無(wú)需常規(guī)填充材料即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鋁焊縫。”

該殼體已集成于實(shí)車模型并完成測(cè)試。在弗勞恩霍夫未來(lái)汽車制造領(lǐng)航項(xiàng)目框架下，該技術(shù)正同步推進(jìn)二次鋁材及鑄件間接頭焊接應(yīng)用，并開(kāi)展可持續(xù)性評(píng)估。

3D儲(chǔ)罐底板

針對(duì)航空航天應(yīng)用，F(xiàn)raunhofer IWS開(kāi)發(fā)出一種采用動(dòng)態(tài)光束成形技術(shù)的激光焊接工藝，可將高強(qiáng)度2000系列鋁合金制成封閉式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)。由于這類合金易產(chǎn)生熱裂紋，傳統(tǒng)焊接通常需使用填充焊絲調(diào)整合金成分。而新型激光工藝無(wú)需填充材料，即使在三維輪廓上也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低熱焊接。“該工藝特別適用于封閉旋轉(zhuǎn)對(duì)稱容器，目前正研究其在管道焊接中的應(yīng)用，”Jahn表示，“它能形成緊密、機(jī)械強(qiáng)度高的接頭，變形極小且焊縫強(qiáng)度高。”

該驗(yàn)證裝置由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)與氣候行動(dòng)部（BMWK）資助的航空項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，F(xiàn)raunhofer IWS正同步測(cè)試用于板材的摩擦攪拌焊接（FSW）技術(shù)及用于混合管道接頭的電磁脈沖焊接（EMP）技術(shù)。

起重機(jī)吊臂

大型鋼結(jié)構(gòu)制造商現(xiàn)可采用新型工藝連接壁厚超20mm的厚型材。Fraunhofer IWS通過(guò)四米長(zhǎng)的起重機(jī)吊臂驗(yàn)證了該技術(shù)。該工藝采用單次夾持下的高性能多層焊接，激光功率高達(dá)24kW。V形槽準(zhǔn)備工藝已優(yōu)化至開(kāi)口角小于5°。“由此我們減少了焊縫體積，節(jié)省高達(dá)90%的填充材料，并基本消除了變形問(wèn)題，”Jahn指出，“在許多情況下，無(wú)需再進(jìn)行耗能巨大的手工校正大型組件。”

該項(xiàng)目由SAB資助，旨在向橋梁建造、風(fēng)能和造船領(lǐng)域推廣應(yīng)用。初步工業(yè)反饋?zhàn)C實(shí)，企業(yè)對(duì)將該技術(shù)集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線表現(xiàn)出濃厚興趣。

激光、材料與系統(tǒng)一體化解決方案

這些示范裝置展現(xiàn)了材料科學(xué)、工藝技術(shù)與系統(tǒng)集成的有機(jī)融合。Fraunhofer IWS不僅開(kāi)發(fā)連接技術(shù)，更致力于推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。“我們通過(guò)集成傳感器、先進(jìn)控制系統(tǒng)及持續(xù)工藝質(zhì)量評(píng)估，實(shí)現(xiàn)解決方案的落地應(yīng)用。”Jahn總結(jié)道。