研究新的動態(tài)調(diào)控激光光束技術(shù)對微加工、高功率焊接和切割的柔性的提高和精度的改善非常重要。

新能源電動汽車的蓬勃發(fā)展，首先要解決的是精密制造中滿足高容量材料的加工問題。為了滿足電池堆的排列和連接，拓展增材制造技術(shù)和激光焊接技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用新的以合金為基礎(chǔ)的冷卻系統(tǒng)，這些發(fā)展趨勢使得制造者不得不開發(fā)出新的加工工具來幫助他們解決這些問題。

本研究則向大家解釋為什么制造商們會不斷的替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)和以激光作為加工工具的熱焊接技術(shù)。同傳統(tǒng)的熱焊接技術(shù)相比較，激光為基礎(chǔ)的技術(shù)由于其能量密度高，而只需要較少的熱輸入就可以完成加工任務(wù)。激光焊接同時(shí)還最大程度地降低了潛在地變形。

所有的焊接軍均括熔池的形成和隨后的快速冷卻凝固過程，這些因數(shù)決定著焊縫金屬的性能和結(jié)構(gòu)。激光焊接的高能量，然而，不僅熔化了材料，同時(shí)還會導(dǎo)致材料的氣化。在焊接過程中材料的氣化會在材料中產(chǎn)生氣體毛細(xì)管。這一毛細(xì)管通常被稱為匙孔（小孔），從而使得激光能源能夠獲得非常大的深寬比焊縫，定義為焊接穿透的深度和焊縫的寬度的比值。

同熱焊接相比較，傳統(tǒng)焊接可以得到深度淺且寬的焊縫，激光焊接時(shí)的大的深寬比會轉(zhuǎn)換成潛在的低的部件變形。匙孔（小孔），然而，同時(shí)也帶來挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樗姆€(wěn)定性對獲得高質(zhì)量的焊縫至關(guān)重要。當(dāng)焊接諸如鋼和鎳這類高吸收材料的時(shí)候，匙孔（小孔）通常會保持穩(wěn)定，并促使獲得高質(zhì)量的焊縫。然而，當(dāng)焊接銅合金、鋁合金和高合金材料時(shí)，匙孔（小孔）就會變得固有的不穩(wěn)定，使得工藝過程變得不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)氣孔和飛濺，從而影響焊接質(zhì)量。

盡管面臨著以上這些挑戰(zhàn)，汽車工業(yè)的制造商們?nèi)匀恢铝τ趯⑿履茉雌囯妱踊?，其解決方案就是轉(zhuǎn)向以新的激光技術(shù)為基礎(chǔ)的材料加工工具來進(jìn)行焊接、切割，或者組合和加工滿足特定用途的復(fù)雜產(chǎn)品。激光技術(shù)使得工業(yè)界能夠與對部件整體設(shè)計(jì)、成本-高效的解決方案的步伐保持一致（見圖1）。而成本的不斷下降和功率的不斷增加，使得激光這一焊接工具不斷升級，以滿足制造商對加工應(yīng)用的特殊需求。尤其是，當(dāng)激光功率增加時(shí)，對應(yīng)用中要求保持匙孔（小孔）的穩(wěn)定以及焊接接頭的組織特性，就對工藝參數(shù)的定制就顯得至關(guān)重要了。

圖1 電動汽車的發(fā)展對制造商和焊接提出了新的挑戰(zhàn)。除了引入全新的部件和系統(tǒng)之外，電動化還進(jìn)一步的引入了銅合金和鋁合金等材料的大量應(yīng)用。激光焊接技術(shù)及其裝備使得電動化所需要的成本-效率方面的要求能夠保持同步，但這些工具將得益于光束的巨大的柔性和控制。

保持的匙孔（小孔）穩(wěn)定性

制造商們可以定制激光加工參數(shù)，如波長、脈沖能量、重復(fù)頻率、輸送速率以及光斑形狀、光斑尺寸和光斑處的能量強(qiáng)度的分布。通常的材料加工技術(shù)，在今天的應(yīng)用中包括配備快速掃描的Wobble焊接頭，使用綠光或者藍(lán)光波長的激光源、使用可變的重疊的強(qiáng)度分布，通過兩個(gè)光纖重疊在一起形成一個(gè)光纖的可變的重疊強(qiáng)度分布技術(shù)等，見圖1-0。

圖1-0 由于將兩個(gè)光纖合并到一個(gè)光纖中，其中一個(gè)作為新的光纖的核心中輸送激光，另外一個(gè)分布在新的光纖的環(huán)形周圍中，從而形成功率的輸出時(shí)，其能量可以改變的結(jié)果。這種形狀的激光光束分布可以在焊接的時(shí)候很好的防止飛濺的產(chǎn)生。

光束調(diào)整技術(shù)可以分為三個(gè)大的類別：靜態(tài)、可變和動態(tài)。衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements，DOE）提出了一個(gè)成本-效用高的光束整形方案，通過在魯棒窗口上發(fā)射一個(gè)薄的衍射光斑，衍射和調(diào)制光通過它的相位。對靜態(tài)光束調(diào)整來說，大量的光學(xué)衍射元件（DOE）可以用于定制激光束輸出到工件上進(jìn)行加工。靜態(tài)光學(xué)整形的問題是，只有當(dāng)用戶對要求加工的參數(shù)定義非常明確而且不需要工藝柔性的時(shí)候才是比較適合的選擇。

衍射光學(xué)元件也可以通過調(diào)節(jié)環(huán)形調(diào)節(jié)器，將光束分割到中央的尖頭上，或者中心光束上和周圍的環(huán)形光束上來增加激光加工的柔性。這一選擇需要一個(gè)單軸偏移或旋轉(zhuǎn)以改變中心和環(huán)形光束的強(qiáng)度比例。當(dāng)這一光束解決方案可以提特定工藝的加工柔性，前提是用單一設(shè)備來完成的特定的任務(wù)。

圖2

圖2-1 可以設(shè)計(jì)出任意形狀的光斑形狀來。

圖2-2 對 AA3003鋁合金進(jìn)行非熔透搭接激光焊接（ partial penetration lap welding）時(shí)光學(xué)形狀變化的測試。

圖3 在動態(tài)光學(xué)激光調(diào)整的運(yùn)行過程中，從單一種子光纖中處理啊的激光束進(jìn)行分割并通過一個(gè)平行排列的電-光調(diào)節(jié)器，每一個(gè)進(jìn)行驅(qū)動一個(gè)光學(xué)放大器。

動態(tài)光束整形技術(shù)

這一光學(xué)相場排列增強(qiáng)的動態(tài)光學(xué)整形技術(shù)使得光纖激光能夠傳輸高達(dá)100KW的激光的水平（控制多模）。最近的發(fā)展則增加了其控制的能力，不僅可以控制光束的形狀，還可以控制光束形狀改變的頻率、頻率以及焦點(diǎn)的位置。調(diào)節(jié)這四個(gè)參數(shù)，使得激光工藝參數(shù)的優(yōu)化前所未有的可以控制熔池以滿足甚至超過材料焊接性能所要滿足的要求。

如同前面所討論的，激光束的形狀對材料的加工具有十分直接的影響。不同的形狀可以獲得忒的那個(gè)的焊縫形狀和組織，所需要的韓粉形狀主要取決于所要求達(dá)到的結(jié)果，并且經(jīng)常是一個(gè)小的改變和調(diào)整，往往會帶來意想不到的效果?，F(xiàn)有的光束整形解決方案并不能提供足夠的柔性來實(shí)現(xiàn)較為寬廣的形狀變化，更別提設(shè)計(jì)出任何有需要的光束形態(tài)了（圖4）。

光束形狀上的一個(gè)小的改變通常會帶來巨大的效果上的改變。盡管如此，直到現(xiàn)在，大多數(shù)的光束形狀的解決方案只能提供有限的選擇和并沒有能力實(shí)現(xiàn)動態(tài)的設(shè)計(jì)光學(xué)形狀的能力。光束形狀調(diào)整的能力可以實(shí)現(xiàn)特定的焊縫形狀和顯微組織，主要取決于所需要的結(jié)果。

圖4 動態(tài)光束調(diào)整時(shí)使用一種快速的優(yōu)化不同的焊接工藝的技術(shù)，使用的是測試多個(gè)設(shè)置步驟來確定的光束形態(tài)對焊縫的影響。

相反，動態(tài)光學(xué)形狀調(diào)整的出現(xiàn)是伴隨著軟件的出現(xiàn)而發(fā)展的，操作者利用軟件設(shè)計(jì)出具體應(yīng)用所需要的形狀來，上傳所設(shè)計(jì)的程序到激光加工系統(tǒng)中，然后觀察焊縫的橫截面并進(jìn)行分析，這一過程的簡單和速度使得該技術(shù)有可能用來評估多個(gè)形狀和進(jìn)而選擇出最優(yōu)的光學(xué)形狀方案來以進(jìn)一步的滿足特定的焊縫要求。緊接著，進(jìn)一步的發(fā)展將使得實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控光束的形狀成為可能，使得可以在飛行的過程中進(jìn)行光束形狀的優(yōu)化（圖5）。

圖5 出現(xiàn)的動態(tài)光束調(diào)整是伴隨著軟件的快速發(fā)展使得用戶可以設(shè)計(jì)光學(xué)形狀并進(jìn)行優(yōu)化以滿足特定的焊接應(yīng)用。通過點(diǎn)擊用戶操作界面，例如，用戶可以設(shè)計(jì)出想象的光學(xué)形狀和排列來，非常容易地評估不同形狀以找到特定焊接結(jié)果所需要地最優(yōu)化地光學(xué)形狀來。

光學(xué)形狀改變的頻率、光學(xué)形狀的空間排序和焦點(diǎn)導(dǎo)航

一旦所需要的光學(xué)形狀被設(shè)計(jì)出來，產(chǎn)生這一光學(xué)形狀所需要的速度就可以進(jìn)行設(shè)定。產(chǎn)生這一光學(xué)形狀所需要的時(shí)間稱之為形狀頻率，并且它將影響焊縫的特征，這是因?yàn)橐粋€(gè)并沒有被很好的進(jìn)行優(yōu)化的速度同樣會引起諸如飛濺類的缺陷?？焖俚念l率，如50MHz，就是非?？斓乃俣仁沟霉鈱W(xué)形狀的改變好像是準(zhǔn)靜態(tài)的形狀，由此產(chǎn)生同KHz或Hz范圍內(nèi)所得到的完全不同的效果來。

在光束形狀變化時(shí)，其頻率的改變決定了被加工材料所需要的最佳狀態(tài)。在某些情況下，頻率的改變只是顯著的改變焊縫的特征。而光學(xué)排序的改變則為激光焊接的柔性最增加了一個(gè)新的途徑，提供了在微秒時(shí)間內(nèi)對光束形狀進(jìn)行切換的能力。光學(xué)排列制造出一系列不同的形狀來，每一個(gè)形狀滿足特定的加工目的，獲得特定的加工結(jié)果。激光通過編程來連續(xù)運(yùn)行每一光束形狀，以不同的速度和不同的間隔來進(jìn)行。例如，如果一個(gè)形狀用于穩(wěn)定匙孔（小孔）和避免飛濺，而另外一個(gè)不同的形狀則用于避免裂紋，于是很好的設(shè)計(jì)的光學(xué)排列則可以同時(shí)滿足單一激光所能達(dá)到的目標(biāo)。

圖6 動態(tài)光學(xué)調(diào)整技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的光學(xué)排列的能力，提供了一個(gè)有效的工具來避免形成駝峰-駝峰是一種周期性發(fā)生的珠狀形狀的突起（案例為1mm厚的5052鋁合金）

標(biāo)準(zhǔn)激光的焦點(diǎn)的深度比較淺，從而造成工件焊縫深度方向上的性能與組織不一致。單模激光具有較大的聚焦深度，并且動態(tài)光束調(diào)整激光為單模激光，可以對焦點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航，這就意味著Z軸方向上焦點(diǎn)位置可以隨著材料的不同而隨時(shí)和可以任意速度變化。

激光在固定焦點(diǎn)時(shí)，整個(gè)焊接過程會產(chǎn)生大量的和更多鋸齒形狀的焊縫，結(jié)果，這些問題可以通過光束的焦點(diǎn)位置導(dǎo)航來解決。焦點(diǎn)導(dǎo)航會創(chuàng)造出更多平滑。強(qiáng)度高和更加均勻的焊縫。

將其整合在一起

動態(tài)光學(xué)調(diào)整的優(yōu)勢可以在很多方面加速和提高工業(yè)應(yīng)用中的產(chǎn)能。窄的高斯焊縫提供了焦點(diǎn)控制予更廣闊的空間，例如，剋允許激光來進(jìn)行焊接和切割任意角度的加工對象而不僅僅時(shí)在垂直平面上，甚至是激光非?？拷ぜ砻娴臅r(shí)候。相反地，采用大的焦距和使用鏡子來在工件表面進(jìn)行移動也會帶來更多的潛在的好處。

將光束進(jìn)行移動和焦點(diǎn)位置以一定的速度在幾百兆的范圍內(nèi)運(yùn)行的能力使得在工件表面上追蹤不同的光束形狀的能量分布以滿足多種維度的應(yīng)用。例如，當(dāng)焊接兩工件且中間存在間隙時(shí)，較高功率的能量且具有較窄的光束可以快速將大的光束形狀通過間隙所得到的固態(tài)接頭而刻寫出其輪廓來。

在焊接操作時(shí)，動態(tài)光束形狀控制著材料的熔池和熱等離子體匙孔（小孔）。當(dāng)光束移動到焊縫的下線時(shí)，材料從固態(tài)到液態(tài)到氣態(tài)，然后再反向進(jìn)行凝固。通過精確的控制熔池和減少附屬物的飛濺，再凝固，在材料的理想狀態(tài)凝固，從而形成高質(zhì)量的焊縫。

這一光束控制可以允許實(shí)現(xiàn)異種材料，如鋁合金和銅合金的焊接，這些異種材料在反射率、熱熔以及熔點(diǎn)上均存在差異。光束控制進(jìn)一步的允許激光將裂紋敏感性材料焊接在一起，或者提供精確控制的能量來將很薄的細(xì)線焊接在塊體上。當(dāng)穿透幾層不同的采用鉆孔工藝來實(shí)現(xiàn)的話，其快速的光束排列的能力可以實(shí)現(xiàn)在每層進(jìn)行定制，且在毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)切換并獲得更加均勻的孔。

動態(tài)光束激光調(diào)整技術(shù)可以允許用戶充分發(fā)揮出激光這一工具的優(yōu)勢的同時(shí)，并避免這一工具所具有的剛性。動態(tài)光學(xué)激光調(diào)整技術(shù)在調(diào)整光束形狀和頻率上提供了足夠的柔性且速度快和非常容易實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)創(chuàng)造了光束形狀排列和光束焦點(diǎn)導(dǎo)航，所有這些使得動態(tài)光束調(diào)整在材料加工時(shí)如同玩游戲機(jī)一樣方便（圖6）。

文章來源：1.Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS和civan;

2.Haug, P., Weidgang, S., Seebach, J., Speker, N., Hesse, T., Bisch, S.: Beam Shaping BrightLine Weld – Latest Application Results. At: Lasers in Manufacturing Conference 2019 (LiM 2019).