相干光束组合

以色列激光器供应商Civan独特的光束整形技术可以生成激光束内强度分布任意变化的光束模式。此外，它还可以在这些模式之间以MHz的频率进行切换。这为影响和控制激光材料加工过程提供了巨大潜力。

要想系统地使用这项新技术，首先需要进行基础研究，了解这种光束整形技术对激光材料加工过程中能量输入的影响以及相互作用的动态。为了研究这个问题，作为合作的一部分，Civan的OPA6激光源被整合到IFSW的高速在线X射线设施中。锁孔的三维重建可以从X射线图像中生成，从而能够对能量输入进行后续的射线追踪分析。本文展示了Civan的光束整形技术在锁孔中吸收辐照度的变化。

激光束中的强度分布决定了输入到工件中的能量。因此，调整强度分布的高度灵活性为影响激光材料加工的整个过程提供了可能。Civan的OPA6激光源通过光学相控阵提供32个平行光纤放大器的相干光束组合（CBC）。这使得光束整形的强度分布有了几乎任意变化，并在这些强度模式之间以MHz的频率切换。激光功率高达14kW，这项技术现在可用于材料加工。

IFSW的X射线设备可以在焊接过程中以1kMH以上的频率捕捉加工区的X射线图像。这为深入了解光束模式对锁孔几何形状及其时间变化的影响，以及对焊池内熔体流动的影响提供了宝贵的资料。

图片描述了X射线设施内的光学设置，它引导光束从光学头到处理区。图1a展示了IFSW的设置，左边是OPA6激光源，右边是光学头，背景是X射线设备的引线壁。图1b是在铝合金AA6014的激光焊接期间锁孔的X射线图像的代表性示例。

图2显示了用OPA6激光源产生的不同光束图案的示例。色标表示局部强度I，其是在IFSW的光学设置之后由Primes的HP-MSM设备测量的。所示图案：a）单个光斑，b）两个光斑，c）环形光斑，d）带中心光斑的环形光斑，e）环中强度降低的环和中心斑点（中心和环之间的≈70:30功率分布），以及f）等强度的9个光斑矩阵。

测量的强度分布说明了OPA6在光束模式选择上有很大的可变性。在IFSW进行的调查显示了这些分布是如何影响加工过程的，以及它们是否有利于避免加工过程中可能出现的故障，如孔隙、飞溅或裂缝。

深熔激光焊接的特点是形成一个锁孔，如图1b所示。激光束在这个锁孔内被多次反射，这大大增加了焊缝的吸收率和穿透深度。众所周知，许多让焊接质量降低的现象都与锁孔的几何形状和稳定性降低有关。这方面的例子有气孔的形成、熔体的喷出、驼峰和工件之间的连接不足。

为了研究如何利用不同的光束模式来稳定锁孔，它的三维几何形状是由X射线图像重建的。根据比尔-朗伯定律，这是从透射辐射的强度分布和已知的焊缝样品中相应的X射线的衰减来确定的。锁孔的3D几何结构对应于图1b中的X射线图像。图3a（前视图）和图3b（侧视图）给出了锁孔的三维几何结构。

在这个过程中，锁孔的形状来自于锁孔孔壁和激光束吸收的辐照度分布之间的相互作用：吸收的辐照度不均匀性导致了锁孔几何形状的局部变化，这反过来又改变了局部吸收的辐照度。因此，光束形状和锁孔中吸收的辐照度之间，不太可能有直接的相关性。IFSW的光线跟踪算法用于计算吸收辐照度。

使用这种方法，激光束被分成10万多条单独的射线，其强度由光束形状内分布的局部强度单独分配。这些单独光线的路线是根据光束参数及其在管内反射来确定的。对于单个光线与管壁的每次相互作用，计算吸收的功率比例，并将其与总吸收辐照度相加。

图3c显示了具有顶帽强度分布的传统激光束的光线跟踪计算结果。锁孔的右前侧由网格表示，以便可视化锁孔内单个光线的过程。色阶表示对数刻度上产生的局部吸收辐照度。结果显示，锁孔的整个表面都受到了多重反射的照射。吸收辐照度的局部峰值主要出现在锁孔的前壁和底部，在那里射线第一次与表面发生作用。由此得出的总吸收率为ηA = 0.69。

在IFSW的光线追踪软件中加入了与Civan光束发生器软件的接口，以研究独特的光束模式所产生的吸收辐照度。图4演示了该增强软件的第一个结果，并首次显示了任意锁孔中Civan光束模式的吸收辐照度。每个子图（a-f）显示了先前引入的3D重建中的吸收辐照度，该重建是由图2中相应光束模式的应用产生的。

如每个子图的坐标系所示，左图显示了锁孔的正视图，右图显示了锁孔的侧视图。结果表明，当光束模式发生变化时，锁孔下部的吸收辐照度发生了显著变化。必须注意的是，所有结果都描述了锁孔中假设的吸收辐照度，该辐照度是在没有光束成形的情况下通过焊接实验确定的。IFSW的第一个X射线成像实验将集中于确定当应用这些光束模式时演变的锁孔的形状。

正如预期的那样，最高的局部吸收辐照度出现在选择单一光斑图案时。选择单一光斑模式时，局部吸收辐照度最高。沿着光束图案的主要轴线的局部最大值，导致了在锁孔正面中心和侧面的吸收辐照度增加光斑。未来的工作将包括对有无这些局部最大值的模拟和实验进行比较，以确定它们对过程的影响。

有了两个与焊接方向平行的光斑（图4b），见图2b，锁孔前面的强度会增加。与单一光斑的应用相比，光束模式中额外局部最大值的影响减少了。通过使用环形光束图案，如图4c所示，底部具有高吸收辐照度的区域增加，最大吸收辐照度减少。光束图案中强度增加的其他区域导致锁孔前壁和侧壁上吸收辐照度增加的额外区域。与单点模式的应用相比，这些区域分布更广，最大值不太明显。与单点和双点图案相比，更多的辐照度在锁孔的背面被吸收，并且辐照度在该区域更均匀地分布。

正如预期的那样，环中心的单个光斑增加了吸收辐照度的峰值，但锁孔中的分布主要受环的影响，如图4d所示。与中心点的强度相比，当环中的强度降低时，锁孔底部吸收的辐照度分布不太均匀，如图4e所示。与环形强度图案的结果相比，吸收辐照度增加的额外局部区域减少了。此外，锁孔后部吸收的辐照度更少。

图4f显示，具有9个光斑矩阵的光束图案应用导致锁孔下部的大面积区域具有增加的吸收辐照度。在锁孔孔中可以清楚地分辨出由矩阵产生的峰值。锁孔后壁上吸收的辐照度的分布与环形图案产生的分布相似。

尽管壁上的辐照度分布不同，但总吸收率仅在66%至72%的范围内变化到有限的量。这与文献中的预测非常一致，即给定材料中的吸收率主要受锁孔的几何形状和激光束的波长的影响。结果表明，Civan的光束整形技术有可能控制锁孔中吸收辐照度的分布，从而控制锁孔本身的形状。

主要影响被发现在第一次撞击的区域，锁孔的底部和前壁。因此，光束图案中强度的更均匀分布，可以让锁孔在该区域中的吸收辐照度分布更均匀。从而让锁孔能够稳定，以便通过特定的光束模式调整产生无缺陷的焊接。

作者：Jonas Wagner、Artur Leis、Nina Armon等

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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