激光束是一種高度靈活的工具，用于許多材料加工應(yīng)用。新的空間光束整形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的功能，在軸向或橫向上創(chuàng)建多達(dá)四個(gè)焦點(diǎn)，從而可以定制能量分布。結(jié)果表明，在深熔激光焊接過(guò)程中，一定的光束形狀有助于抑制飛濺，增加可橋接間隙尺寸。

焊接是許多行業(yè)中廣泛使用的連接結(jié)構(gòu)的方法，也是最需要的制造方法之一。激光束焊接是一種先進(jìn)的方法，由于高的局部能量輸入和在深熔焊接模式下形成深焊縫的能力（其中建立了蒸汽通道或鎖孔），因此可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的加工。出現(xiàn)了兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：

1，激光束尺寸相對(duì)較小，直徑的典型范圍在50至600μm之間，這使得只有在激光束未通過(guò)接合伙伴之間的間隙傳輸時(shí)，才可能進(jìn)行焊接。因此，不添加填充材料的焊接通常需要技術(shù)上的零間隙配置。

2，在深熔焊接模式下，通常發(fā)生的動(dòng)態(tài)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熔池移動(dòng)和噴射，稱(chēng)為飛濺。除材料損失外，這些噴出物還可能導(dǎo)致焊接零件表面出現(xiàn)不必要的飛濺附著，這需要額外處理。

避免激光束通過(guò)連接伙伴之間的間隙傳輸并穩(wěn)定的一個(gè)有希望的方法是光束整形。我們研究了不同的方法，可以將適應(yīng)性能量輸入到材料中。光束振蕩技術(shù)可以通過(guò)能量的動(dòng)態(tài)再分配來(lái)改善激光加工，例如無(wú)填充材料的遠(yuǎn)程激光焊接。靜態(tài)光束成形是將激光束輸入材料的能量進(jìn)行修改的另一種可能性，不僅可以優(yōu)化預(yù)熱和后加熱條件，還可以優(yōu)化加工區(qū)的空間強(qiáng)度分布。這種技術(shù)已經(jīng)使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，例如使用線梁對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行硬化。

為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)代多千瓦激光器不斷增長(zhǎng)的功率，光束整形光學(xué)的最新發(fā)展旨在為加工區(qū)提供更高能量傳輸?shù)淖罴逊峙洌粫?huì)損壞光學(xué)元件。除了使用具有多芯的跨端口光纖或提供（幾乎）無(wú)限設(shè)計(jì)自由度的衍射光學(xué)元件對(duì)激光束進(jìn)行整形外，還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了折射光束整形方法，以實(shí)現(xiàn)無(wú)損能量再分布，減少光學(xué)器件中的損耗，因此也可用于更高的激光功率。一種可能性是從高斯光束到top hat 或 donut強(qiáng)度分布的空間再分布，而在焊接過(guò)程中變?yōu)閠op hat光束時(shí)，觀察到飛濺減少。多模激光器的無(wú)損折射光束整形解決方案以光學(xué)的形式實(shí)現(xiàn)，將激光能量沿光軸或焦平面上的多個(gè)光斑分割成多個(gè)焦點(diǎn)（圖1）。

圖1用于光束整形的光學(xué)元件，用于創(chuàng)建a）沿光軸（foXXus）最多4個(gè)焦點(diǎn)，b）焦平面中的多個(gè)點(diǎn)（quat-troXX）。（來(lái)源：Leaflets by Adloptica）

使用專(zhuān)利光學(xué)設(shè)計(jì)的foXXus光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)沿光軸的光束分裂，該光學(xué)器件采用水冷聚焦透鏡或準(zhǔn)直器的形式，提供最多四個(gè)單獨(dú)的焦點(diǎn)F1、F2、F3、F4（圖1a）。高達(dá)48毫米的透明光圈和100毫米和200毫米的焦距是工業(yè)光學(xué)的典型特征。根據(jù)內(nèi)部設(shè)置，同一臺(tái)foXXus設(shè)備可提供各種聚焦組合：2近焦、2遠(yuǎn)焦、4焦。對(duì)于foXXus準(zhǔn)直器，可以通過(guò)改變聚焦透鏡的焦距來(lái)改變焦點(diǎn)之間的距離。這是優(yōu)化激光能量沿光軸分布參數(shù)的一個(gè)強(qiáng)大工具，尤其適用于以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1b顯示了使用quattroXX折射光束整形器構(gòu)建用于無(wú)損分束的工業(yè)光學(xué)系統(tǒng)的基本方法。從光纖激光器中射出的光束首先被準(zhǔn)直，然后使用quattroXX將其分裂成幾個(gè)較小的光束，并使用透鏡進(jìn)一步聚焦。其結(jié)果是在聚焦透鏡的焦平面上形成多點(diǎn)圖案。可用的quattroXX點(diǎn)（模式）有正方形、菱形母線、直線和雙點(diǎn)，其特點(diǎn)是獨(dú)立點(diǎn)和能量部分之間的距離可變。quattroXX光斑的所有幾何圖形和能量分布由分裂裝置的內(nèi)部設(shè)置控制，該裝置允許在靠近donut或“反高斯”光斑的光斑中心以最小值或零值調(diào)整強(qiáng)度分布。作為一種無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)，quattroXX可以很容易地與工業(yè)加工頭和帶有F-theta透鏡的掃描系統(tǒng)集成。

由于深穿透焊接過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜物理效應(yīng)，必須研究不同梁形狀對(duì)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的影響。因此，使用圖1所示的光束整形光學(xué)元件，研究了多點(diǎn)光束整形技術(shù)對(duì)間隙橋接和飛濺的影響。

實(shí)驗(yàn)中使用了不同材料配置和設(shè)置的間隙橋接和光束成形，而使用quattroXX改變了能量分布。實(shí)現(xiàn)高速成像以捕獲處理區(qū)的圖像。以32000 fps的幀速率記錄的高速圖像顯示了由四點(diǎn)配置引起的單獨(dú)鎖孔形成的詳細(xì)視圖（圖2）。鎖孔前端可明顯熔化加工區(qū)前方的基材，前方有一個(gè)狹窄的熔池立即進(jìn)入鎖孔。從尾隨點(diǎn)開(kāi)始的第四個(gè)鎖孔位于熔池內(nèi)。熔體池被認(rèn)為是穩(wěn)定的，顯示出較低的熔體波動(dòng)。

圖2由四個(gè)激光點(diǎn)產(chǎn)生的匙孔的高速成像幀。

為了評(píng)估不同梁結(jié)構(gòu)橋接間隙的能力，進(jìn)行了開(kāi)口間隙焊接（距離為100 mm時(shí)從0 mm到0.6 mm），找到了斷裂點(diǎn)，并評(píng)估了相關(guān)間隙寬度（圖3）。

圖3幾種梁形狀的間隙橋接能力。

與單點(diǎn)焊接配置相比，所有測(cè)試的quattroXX點(diǎn)顯示出更高的間隙橋接能力。將能量分配到連接伙伴的邊緣會(huì)導(dǎo)致更有效的能量輸入。熔池向連接伙伴板移動(dòng)，支持在更寬的間隙上建立熔接。

濺射與光束整形

RedLake Mono N4S2相機(jī)以4000 fps的記錄頻率與空穴照明系統(tǒng)結(jié)合使用，以808 nm波長(zhǎng)的激光照亮加工區(qū)，而相機(jī)前面的陷波濾波器保證僅記錄該波長(zhǎng)的光。在每個(gè)視頻500幀的序列中使用了飛濺識(shí)別和跟蹤算法。

然后，MatLab代碼識(shí)別單個(gè)飛濺物及其中心點(diǎn)，同時(shí)記錄每幀的飛濺物數(shù)量。為了避免在多個(gè)幀中多次計(jì)算相同的飛濺，將后續(xù)幀與之前的幀進(jìn)行比較，以最短距離和飛濺的大小作為判斷飛濺的標(biāo)準(zhǔn)。只有在幀內(nèi)出現(xiàn)新的飛濺時(shí)，飛濺數(shù)量才會(huì)增加。根據(jù)記錄頻率，計(jì)算每秒飛濺量，并對(duì)不同光束形狀的焊接試驗(yàn)進(jìn)行了比較。

計(jì)算了不同光束配置下每秒的飛濺量（使用foXXus和焦平面中的quattroXX光斑進(jìn)行軸向光束整形——圖4）。與單點(diǎn)配置（虛線）相比，一些配置的飛濺量較低，但一些配置的飛濺量明顯較高，這表明動(dòng)態(tài)過(guò)程行為不同。

圖4軸向分布（a）和空間分布（b）中選定光束形狀的飛濺發(fā)生時(shí)間。

對(duì)于橫向光束成形實(shí)驗(yàn)（圖4b），有效地將能量分配到連接伙伴板似乎有利于減少飛濺。配置E的布置似乎有一個(gè)過(guò)于明顯的中心點(diǎn)，它暫時(shí)導(dǎo)致激光通過(guò)間隙傳輸，從而導(dǎo)致不均勻的能量輸入，這是由兩個(gè)支撐點(diǎn)的不均勻加熱所支持的。配置B、C和D導(dǎo)致了一個(gè)高效和穩(wěn)定的過(guò)程，這是由于能量輸入到連接的伙伴板中。

對(duì)于軸向形狀的光束（圖4a），可以看出，與單點(diǎn)布置相比，在較低的小孔區(qū)域，隨著激光束強(qiáng)度的增加，聚焦深度更均勻，支持穩(wěn)定的過(guò)程并減少飛濺。

總的來(lái)說(shuō)，觀察表明，當(dāng)能量輸入均勻且從小孔排出的蒸汽有足夠的空間膨脹時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔體池。一個(gè)加寬的匙孔開(kāi)口似乎支持蒸汽流出，并減少飛濺。

總結(jié)

基于使用先進(jìn)光束整形光學(xué)技術(shù)的高速成像和間隙橋接實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)以對(duì)稱(chēng)方式將能量輸入分配給連接伙伴時(shí)，能夠以低飛濺的方式彌合間隙，而中心額外的低強(qiáng)度斑點(diǎn)會(huì)降低熔體池的動(dòng)態(tài)行為。熔體混合的條件可能是通過(guò)將熔體從單獨(dú)的鍵孔引導(dǎo)到另一片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這保證了熔體連接。

當(dāng)熔池狹窄且鎖孔不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高飛濺量，這意味著熔體在熔池中向上或向下高速移動(dòng)。

不對(duì)稱(chēng)條件會(huì)導(dǎo)致過(guò)程中更高的動(dòng)力學(xué)，減少熔體向另一張板材的移動(dòng)。然而，熔體從一個(gè)薄板流向另一個(gè)薄板是由間隙中心的高能點(diǎn)支撐的。結(jié)果表明，橫向和軸向光束整形可以提高激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

來(lái)源：Photonics Views - 2021 - Volpp - Beam shaping solutions for stable laser welding, DOI: 10.1002/phvs.202100058