动态光束激光器重塑材料加工应用

汽车电气化只是重新定义精密制造中大批量材料加工要求的主要趋势之一。从对齐和连接电池层的需要到增材金属制造的扩展部署，再到采用新的金属合金冷却系统，汽车制造商们在不断寻找满足生产需求的工具。

这种搜索有助于解释为什么制造商们会越来越多地使用激光加工工具，以取代传统的机械加工和热焊接系统。与传统的热焊接工艺相比，激光技术由于光束的高能量而需要更少的热量输入。激光焊接可以最大限度地减少材料变形的可能性，同时最大限度地提高产量。

所有焊接方法都涉及到熔池形成和随后的快速凝固，这会改变焊接金属的性能和微观结构。然而，激光焊接的高能量不仅会熔化材料，还会使材料蒸发。焊接过程中的蒸发会在材料中产生蒸汽毛细管。这种小孔使激光焊接具有非常高的纵横比优势（熔深与焊缝宽度的高比率）。

与通常提供更宽和更浅焊缝的热焊接方法相比，激光焊接高纵横比的结果就是较低的零件变形。然而锁孔也可能带来挑战，因为它的稳定性对于实现高质量焊接至关重要。在焊接钢和镍等高吸收材料时，锁孔通常保持稳定，使激光焊接能够获得出色效果。但是在焊接铜、铝和高合金材料时，锁孔本身并不稳定，这就容易出现影响焊接质量的不规则性，例如气孔和飞溅物。

图1：激光焊接设备使汽车制造业能够应对电动汽车所需的生产成本和产量，这些设备将受益于灵活性和光束控制

尽管存在上述挑战，但汽车制造商还是更多地转向基于激光技术的新型材料加工工具来焊接、切割、组合和加工有先进规格的复杂产品。激光技术使该行业能够帮助厂商显著地提高产量，作为整体经济高效解决方案的一部分（如图1所示）。

虽然成本降低部分源于激光焊接工具提供的功率增加，但这种功率的应用为制造商带来了一些额外考虑。具体而言，随着激光功率的增加，为应用定制工艺参数以保持小孔的稳定性以及焊接接头的微观结构，就变得越来越重要。

保持锁孔稳定性

制造商可以定制激光工艺参数，例如波长、脉冲能量、脉冲持续时间、重复率和进给率，以及激光束光斑的形状、大小和强度。当今，常见的材料加工技术包括使用快速扫描仪的摆动焊接、使用发射绿光或蓝光激光器，或使用二合一双芯光纤的可变叠加强度分布。

激光光束成形的方法分为三类：静态、可变和动态。衍射光学元件通过在窗口上发射薄图案来提供具有成本效益的光束整形，该窗口会衍射和调制通过它的光相位。对于静态光束整形，可以使用各种衍射光学元件定制工件的激光束输出。然而，静态解决方案的问题在于，只有当不需要工艺灵活性时，才是合适的选项。

图2：光学相控阵。每个激光发射自己的光，与远场中的其他光束重叠形成衍射图案

图3：在动态光束激光器工作期间，来自单种子光纤激光器的光束分裂并通过平行阵列的电光相位调制器，每个调制器驱动一个光放大器

衍射光学元件还可以通过使用可调节的环形成形器来增加激光的灵活性，该环形成形器将光束分成中心尖峰或核心光束和周围的环形光束。此选项需要单轴移动或旋转改变核心和环形光束之间的比率强度。例如，虽然此类光束整形解决方案可以使单一设备在批量生产中提高给定流程的灵活性，但它们却无法充分支持日常业务的频繁变化操作。

动态光束整形方法

为了给制造商提供他们需要的工具，从而扩大激光材料加工市场，研究人员几十年来一直在追求动态光束整形技术。目前有四种动态塑造激光束的方法。它们涉及振镜扫描仪、压电驱动执行器、基于微机电系统的扫描仪或光学相控阵。如今，许多供应商都提供了振镜扫描仪，它们可用于单模光纤激光器焊接时以圆形或“8”字形图案输出。

压电驱动的致动器通过改变激光束的焦距为振镜扫描仪提供第三个控制轴。该技术目前正在从研究领域转变为现实世界的工业应用。同时，基于微机电系统的扫描仪为低功耗应用提供了动态光束整形选项。在大功率应用（例如连续焊接工艺）中确保扫描仪的稳定性，仍然是一个有待克服的挑战。

这些光束整形解决方案都没有提供完整的解决方案，从而让制造商无法优化电动汽车生产的激光器成本和生产力。虽然衍射光学元件可以改变激光束的形状，但一旦设计和生成了新的形状就无法即时更改。此外，机械扫描仪可以解决锁孔不稳定性的问题，但它们又受到设计运行的最大速度和功率的限制。

进入相干光束组合

以上讨论的光束整形方法并没有让激光技术在材料加工应用中充分发挥其潜力。光学相控阵提供了另一种可能更有效的解决方案。相控阵是一种相干光束组合技术，它将许多单模激光束合成一个更大的光束。每个激光器发射自己的光束，并与远场中的其他光束重叠，形成衍射图案（图2）。这个过程释放了灵活性，可以轻松实时操纵光束形状以创建动态光束激光器。

在动态光束激光器操作期间，来自单模光纤激光器的光束分裂并通过平行的电光相位调制器阵列，每个调制器驱动一个光放大器（图3）。Civan Lasers等公司的专有控制技术将这些多束单模光束组合成一个窄的、高功率的单模光束，提供更大的功率密度。

这种用于波束组合和控制的固态方法就像没有移动部件的相控阵雷达一样工作。相控阵通过差分激活阵列内的每个小天线来引导雷达波束。类似地，在动态光束激光器中，每个平行激光器可以产生重叠的光锥。

每个锥形点的差异会产生轻微的相移。在各个激光锥之间存在同相和异相区域，分别产生相长干涉和相消干涉。使用相位调制器来控制单个光束会产生干涉图案，该干涉图案可以改变以最大化光束点位置，从而根据光束运动实现各种形状图案。所有这些都可以以高达数百兆赫的速度执行。

动态光束整形提供的另一个优势是能够改变激光的焦点。调整相位相互作用不仅可以在 XY平面上移动光束，而且还可以改变光束在垂直方向上的焦点。这可以最大化不同深度的点能量，对于切割或焊接操作期间需要穿透厚材料时非常有效。

动态光束整形

这种支持光学相控阵的动态光束整形技术使光纤激光源能够提供高达100kW的功率，并具有多模激光器所缺乏的控制水平。最近的发展进一步增加了控制光束形状以及形状序列、频率和焦深的能力。调整这四个参数，并通过管理熔池的方式提高旧材料加工技术（例如钎焊合金零件）的质量参数，从而实现前所未有的激光焊接工艺优化。

图4：动态光束激光器允许用户通过测试多种设置来快速优化不同的焊接工艺，以确定光束形状对焊接几何形状的影响

如前所述，激光束的形状对正在加工的材料有直接影响。不同的形状可以实现特定的焊缝几何形状和微观结构。所需的光束形状取决于所需的结果，通常微小的调整就可以产生不同的结果。现有的光束整形解决方案无法灵活选择各种形状，更不用说设计任何所需形状的能力了（图4）。

相比之下，新兴的动态光束激光解决方案与软件相结合，使用户能够设计与应用相关的光束形状，将设计上传到激光系统，然后使用横截面分析观察对焊缝的影响。操作过程的便捷和快速，让研究人员评估多种形状并为特定焊缝选择最佳形状成为可能。更进一步，对光束形状进行实时监测和控制，可实现光束的动态优化（图5）。

频率、排序和转向

一旦设计了所需的光束形状，就可以设置激光创建形状的速度。创建形状所需的时间称为形状频率，它会影响焊接特性，因为低于最佳速度会导致飞溅等缺陷。快速频率（例如50MHz）是如此之快，以至于形状表现为准静态形状，产生的结果与在千赫兹或赫兹范围内的频率下产生的结果完全不同。

图5：动态光束激光器配有软件，允许用户针对焊接应用进行光束形状的优化设计

频率与光束整形一样也可以很容易改变。在某些情况下，频率差异可能是显著改善焊接所需的唯一变化。光束排序通过在微秒内提供切换光束形状的能力，为激光焊接工艺增加了另一层灵活性。光束测序会创建一系列不同的形状，每个形状都有特定的处理目标，以实现几个所需的结果。可以对激光进行编程，使其以不同的速度和设定的间隔连续穿过每个形状。

例如，如果一种形状可以稳定锁孔并避免溅射，而另一种形状可以避免开裂，那么精心设计的这两种形状的序列可以在激光的单次通过中实现两个目标。当光束穿过堆叠的材料层以处理不同的材料（例如涂层和基板）时，光束排序程序还使激光器能够从一种光束形状变为下一种光束形状。

图6：动态光束激光器提供了一种有效的工具，在焊接1 mm厚铝5052时避免隆起（珠状突起的周期性出现）

标准激光器的焦深较短，导致工件的焊接深度不一致。单模激光器具有更大的焦深，动态光束激光器是单模激光器，也可以控制聚焦。这意味着在过程中可以随时以任何速度在材料内改变Z轴上的焦点位置。

在焊接过程中应用恒定焦点的激光器与那些能够控制光束焦点的激光器相比，产生的结果大不相同，而且锯齿状的结果更多。焦点转向可以生成更平滑、更坚固、更一致的焊缝。

将它们放在一起

动态光束激光器的优势可以通过多种方式加速和提高工业应用的输出。例如，窄高斯光束可以更好地控制聚焦深度，即使激光器靠近工件定位，也允许激光器以严格垂直平面以外的角度进行焊接和切割。

以数百兆赫兹速度移动光束及其焦点的能力能够在工件上追踪各种光束形状图案，以根据多种应用的需要分配能量。例如，当焊接两个有间隙的零件时，高功率密度的窄光束可以快速跨过间隙刻出一个大的形状，从而实现牢固连接。

在焊接操作期间，动态光束整形控制材料的熔池和熔池中的热等离子锁孔。随着光束沿焊接线向下移动，材料从固体变为液体再到气体，然后反转。通过精确控制熔池并减少附带飞溅，在材料的所需阶段发生再凝固，从而获得高质量的焊缝。

这种光束控制允许焊接反射率、热容量和熔点不同的不同材料，例如铝和铜。光束控制进一步允许激光器将裂纹敏感材料连接在一起，或在需要将细线固定到散装材料时提供精确的能量。在钻孔应用中穿透多层不同材料时，能够在几微秒内快速排序，为每一层量身定制的连续光束形状的能力将产生更均匀的孔。

动态光束激光技术允许用户利用强大的激光工具，同时避免其中一些工具的自身不足。动态光束激光系统提供了快速轻松调整光束形状和频率的灵活性，以及创建光束序列和控制光束焦点，所有这些都使动态光束激光器成为材料加工中潜在的游戏规则改变者（图6）。

作者：Eyal Shekel博士（Civan Lasers创始人兼CEO）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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