图2：高功率单模光纤激光器：风冷机架式YLR-1000-SM(左)以及3kW 系统型YLS-3000-SM(右)。
铜焊接工艺的另一个问题是低速焊接时的不稳定性。通常，小于5m/min的焊接速度会面临焊接不稳定的问题，例如飞溅、气孔和不规则焊缝表面。随着焊接速度的加快，这种不稳定性逐渐消失。在5-15m/min的焊速范围，质量达到可接受的水平。焊速高于15m/min的话，产生的焊缝基本没有缺陷(图3)。这意味着最佳的焊接参数介于传统的运动系统(例如机器人)所能达到的极限范围内。
图3：加工速度对焊缝质量和焊缝深度的影响。
这必须用更高的激光功率来实现。新的工艺研究已表明，工艺稳定性不仅可以通过提高焊接方向的速度，也可通过光束导向镜片的动态位置变化来实现。这种摆动技术使其能够在相对较低的焊速下形成稳定的焊点，并显著降低焊缝深度。
通过这种摆动技术，仅使用1kW功率的单模光纤激光器便能实现高达1.5mm焊接深度的高质量铜焊缝。同样的技术也能够应用于高亮度多模激光器。使用一款功率为6kW，光束质量为2 mm mrad的光纤激光器测试后显示，实现了5mm焊缝深度的高质量焊接。
图4：IPG 推出的FLW-D30 和FLW-D50 系列摆动焊接头
光束的动态控制可以通过传统的扫描振镜或新型的摆动头实现，摆动头结合了经过验证的焊接头与扫描振镜的性能优势。两个振镜能够灵活地使用各种预先编程的图形和形状，例如圆形、线条或“8字形”，以及一定尺寸内可自由编程的图形和形状。其主要优点之一是能使用标准的聚焦镜而不是f-theta场镜可以在较低的焦点偏移水平下承受更高的功率密度，同时，常规的横向气帘和防护窗的使用降低了耗材成本。IPG推出的FLW-D50和FLW-D30系列摆动焊接头可以在高达1 kHz的摆动频率下工作，并且可轻松集成到各种加工系统中(图4)。这些焊接头可承受的激光功率高达12 kW。
▲ 实验结果
在焊接具有变化的焊接方向的复杂路径时，圆形摆动运动显示出最好的结果。通过摆动频率和摆动直径(vc =πD f)可以很容易控制最终的光束速度。在大多数情况下，用于动态定位圆形光束速度vc的焊接速度矢量vw可忽略不计，这是因为光束速度远高于焊接速度vw。
图5：摆动幅度对焊缝宽度和质量的影响
提供最佳结果的频率设置取决于光斑尺寸、摆动直径(以及由此得出的圆形光束速度vc)和线性焊接速度。图5显示了在恒定的焊接速度、激光功率和频率，但摆动直径不同的工艺条件下的焊缝表面。光斑尺寸在焦距f = 300mm处约为30μm。激光功率保持为恒定的1kW，而线性焊接速度设定为1m/min。如果没有摆动运动，这些参数将导致非常不稳定的工艺，例如：过热的熔池和气孔。
随着摆动直径的增加以及圆形光束速度的相应提升，表面质量越来越稳定。取决于摆动参数和光斑尺寸，光束和形成的匙孔通常在金属熔池或在固体和再固化的材料中移动。在这两种情况下，工艺都能实现稳定性。
以下焊缝横截面揭示了该技术的另一个优点：摆动直径可被用于定制焊缝横截面的形状。小的摆动直径会形成激光焊接的典型V形横截面，而较大的直径能将焊缝从V形变为U形或非常规则的矩形(图6)。如果单位长度焊缝的能量输入恒定(E = P vw)，则焊缝横截面几乎保持不变。这种技术使其能够满足特定应用需求对焊缝横截面的要求。
