高激光焊接速度可以通過使用環(huán)形和中心光斑激光照明輪廓來實(shí)現(xiàn)，環(huán)形能量與光斑的比例可調(diào)，從而優(yōu)化工藝。本文 提出了一種新穎且簡單的基于衍射的概念，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光纖激光器的這種可調(diào)整形。 該模塊在中心光斑的 100% 能量到無能量之間旋轉(zhuǎn)可調(diào)，可以與單模和多模激光器一起工作，高度緊湊 ( 長度小于 20 mm) ，并具有被動(dòng)衍射組件的高 LDT 。 這個(gè)概念省去了特殊環(huán)形光纖激光器的需要，使焊接激光頭的設(shè)計(jì)更簡單。

激光焊接中環(huán)形和點(diǎn)成形的必要性

激光焊接是一種廣泛應(yīng)用于汽車、造船、電池組等行業(yè)的許多工業(yè)過程中的技術(shù)。在許多激光焊接應(yīng)用中，焊接速度正迅速成為最關(guān)鍵的工藝限制之一。其中一個(gè)例子是在不斷增長的可移動(dòng)性市場中的焊接，在該市場中，激光被用于焊接電池觸點(diǎn)，快速焊接可以在電池生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量和成本節(jié)約。另一個(gè)例子是，汽車行業(yè)對快速且經(jīng)濟(jì)高效的激光焊接的需求日益增長，因?yàn)槿加托室蠊膭?lì)制造商使用更多鋁和先進(jìn)材料，需要對車門、懸掛部件、超高強(qiáng)度鋼組件和鋁車身框架進(jìn)行激光焊接。

對更快焊接速度的需求正在推動(dòng)低成本、高功率近紅外光纖激光器的可用性增加。

這種激光器的可用性轉(zhuǎn)化為功率，實(shí)際上不再是焊接速度的限制。相反，人們發(fā)現(xiàn)，激光焊接速度受到各種物理現(xiàn)象的限制，這些物理現(xiàn)象在高速焊接時(shí)占主導(dǎo)地位，例如飛濺、駝峰和焊縫氣孔的增加。

當(dāng)使用一種特殊的照明分布時(shí)，這些現(xiàn)象已被證明是大大減少的，這種照明分布由一個(gè)環(huán)包圍的中心光斑組成，中心光斑和周圍的環(huán)之間具有一定的功率比。不同的焊接工藝參數(shù)（如金屬厚度、金屬類型和幾何形狀）需要不同的比率，以在高速焊接時(shí)提供最佳工藝。因此，對于許多系統(tǒng)集成商來說，一種能夠提供可控、可調(diào)的功率成形比的解決方案是一種優(yōu)勢。

基于光纖的環(huán)形和點(diǎn)可調(diào)成型解決方案：優(yōu)勢和局限性

產(chǎn)生環(huán)形和中心光斑照明輪廓最常用的方法是使用具有雙芯或三芯的特殊多模光纖激光器。中心磁芯由一個(gè)或兩個(gè)同心環(huán)形磁芯包圍。每個(gè)核心可以單獨(dú)設(shè)置其激光功率，從而使中心光斑的功率與周圍光環(huán)的功率可調(diào)。然后將光纖輸出直接成像到工作平面上，給出所需的照明輪廓。

這種可調(diào)光斑型光纖激光器已經(jīng)被包括Trumpf、Coherent、IPG、NLight等在內(nèi)的高功率光纖激光器市場上的大多數(shù)領(lǐng)先公司所采用。

這些光纖激光器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是不需要外部整形光學(xué)元件——整個(gè)整形過程在光纖激光器級別進(jìn)行控制。只需將光纖準(zhǔn)直器插入適配器，即可開始使用光束，其強(qiáng)度分布由計(jì)算機(jī)控制且實(shí)時(shí)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)快速、無缺陷的焊接。

然而，該方法存在一些問題，使得基于光纖的可調(diào)環(huán)解決方案不是最優(yōu)的：

首先，與常規(guī)多模高功率光纖激光器相比，這種激光系統(tǒng)具有額外的復(fù)雜性和成本。第二，這種光纖的高NA意味著必須使用特殊的準(zhǔn)直器，與當(dāng)今光纖激光器使用的標(biāo)準(zhǔn)焊接光學(xué)元件相比，通常需要更大的光學(xué)元件。最后，中心點(diǎn)和光環(huán)之間的比率通常是有限的。為了在焊接點(diǎn)獲得更多功率，必須增加環(huán)內(nèi)的功率，因?yàn)橹行蔫F芯只能支持小于6–8 kW的典型極限功率。這意味著，除非使用定制的光纖芯，否則大部分功率進(jìn)入中心光斑，只有一小部分功率進(jìn)入環(huán)形腔內(nèi)非常有用的配置，不能與全激光功率一起使用。

在這篇文章中描述了一種基于光纖的環(huán)形和光斑整形的替代方法，該方法允許完全調(diào)整功率比，同時(shí)仍然是一種相對簡單、經(jīng)濟(jì)高效且直接的光學(xué)概念。該方法基于衍射光學(xué)，由添加到系統(tǒng)中的外部光學(xué)模塊組成。此方法為激光系統(tǒng)集成商提供了一個(gè)很好的解決方案，這些集成商已經(jīng)擁有多千瓦光纖激光器，并希望用新功能升級其焊接系統(tǒng)，以及新焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師。他們正在尋找光纖級成型解決方案無法提供的性能。

建議的衍射方法基于之前在《Photonics Views》雜志上發(fā)表的題為“可調(diào)功能光束整形方法”的出版物，在該出版物中，本研究回顧了可調(diào)光束整形的不同概念，包括基于子孔徑的環(huán)與中心光斑可調(diào)整形器。當(dāng)前的概念是該文中所述概念的修訂版，它更優(yōu)化了應(yīng)用程序，具有更好的散焦行為，與真實(shí)的激光焊接公差兼容。

衍射可調(diào)環(huán)斑整形器

衍射整形解決方案由兩個(gè)相同的二元衍射元件（也稱為相位板）組成，放置在同一光軸上。每個(gè)元件的圓形凈孔徑被分成偶數(shù)個(gè)方位段。其中一半是清晰區(qū)域，另一半具有衍射二元軸棱錐的光學(xué)功能，臺階高度相當(dāng)于π弧度。

通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)相位板和另一個(gè)相位板，可以調(diào)整環(huán)和中心點(diǎn)之間的功率比。在板之間旋轉(zhuǎn)為零的情況下，如圖1a所示，圖案區(qū)域重疊，導(dǎo)致穿過這些區(qū)域的光的相位延遲為2π。實(shí)際上，這意味著總相位為零，激光束不受影響，導(dǎo)致100%的能量流向中心光斑。

在如圖1c所示的旋轉(zhuǎn)為完整段的情況下，這些段沒有重疊，產(chǎn)生的相位是二元衍射軸棱錐的相位，從而產(chǎn)生一個(gè)在中心點(diǎn)完全沒有功率的環(huán)。

圖1上行顯示了兩個(gè)二進(jìn)制DOEs之間相對旋轉(zhuǎn)方向分別為0、7.5、15度的3個(gè)位置(a、b、c)。下一行顯示了與上一行的每個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)的強(qiáng)度分布：所有功率集中在中心點(diǎn)（d），所有功率集中在環(huán)（f），一個(gè)中間位置，其中一些功率在中心點(diǎn)，一些在周圍環(huán)（e）。（來源：Holo/Or）

這兩種情況之間的中間旋轉(zhuǎn)狀態(tài)導(dǎo)致一部分能量流向中心環(huán)，而其余能量流向中心點(diǎn)，這是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)角度決定的連續(xù)可調(diào)比率。圖1b示出了這種狀態(tài)的一個(gè)示例。中心點(diǎn)和環(huán)中能量的整體傳輸效率不斷變化，從僅在中心點(diǎn)的~100%變化到僅在環(huán)中的~80%。效率損失達(dá)到更高的衍射透射級，并以更大角度出現(xiàn)二次環(huán)。

整個(gè)變化范圍發(fā)生在一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度上，在這個(gè)例子中是15度，并且是周期性的(即繼續(xù)旋轉(zhuǎn)將再次以同樣的方式改變比例)。中心光斑的功率隨旋轉(zhuǎn)角度呈非線性變化，如圖2所示。

圖2在中心點(diǎn)和周圍環(huán)的相對功率圖作為兩個(gè)雙星之間的相對旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)。（來源：Holo/Or）

可調(diào)衍射環(huán)整形方法的優(yōu)點(diǎn)

與目前市場上基于光纖的解決方案相比，基于衍射的方法具有許多優(yōu)勢。它可以對光點(diǎn)和光環(huán)之間的功率比進(jìn)行全范圍控制，這與基于光纖的解決方案不同，后者的可調(diào)諧性更有限，并且具有進(jìn)一步的優(yōu)勢。

由于概念簡單，該模塊可適用于通常與多千瓦激光器一起使用的大光束（直徑15–22毫米）。光學(xué)元件可以安裝到現(xiàn)成的手動(dòng)或電動(dòng)旋轉(zhuǎn)支架中，以創(chuàng)建光學(xué)模塊。這樣的模塊可以放置在激光準(zhǔn)直器后的光軸上，或者更好的是，直接放置在激光頭或掃描系統(tǒng)的入口處。這些配置允許焊接光學(xué)元件與標(biāo)準(zhǔn)多模光纖激光器使用的元件保持一致，無需考慮更大的NA和所需的更大、更昂貴的光學(xué)元件，如環(huán)形光纖激光器。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺的整個(gè)調(diào)整范圍需要幾毫秒，因此在需要時(shí)可以在過程中進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整。然而，在典型情況下，功率比的可調(diào)節(jié)性僅在焊接工藝優(yōu)化階段才重要。一旦定義了工藝參數(shù)，可調(diào)環(huán)和點(diǎn)成形器模塊就可以被一個(gè)具有定制環(huán)點(diǎn)功率比的無源DOE所取代，該功率比被認(rèn)為是特定焊接工藝的最佳選擇，這提供了一種更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的成形解決方案。

衍射可變整形方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠與單模激光器一起工作。與環(huán)芯光纖激光器不同，在環(huán)芯光纖激光器中，環(huán)形始終是多模的，因此不能以合理的NA聚焦到一個(gè)小光斑上，衍射模塊能夠形成一個(gè)具有環(huán)形和中心強(qiáng)度形狀的小光斑，同時(shí)仍然提供可調(diào)的比率。這種能力對于單模入射光束的微焊接特別有用，因?yàn)檫^程速度限制因素通常不是單模光纖功率，而是駝峰、氣孔和其他問題，這些問題通過將部分激光功率轉(zhuǎn)移到光斑周圍的環(huán)形區(qū)域而減少。

最后，衍射解環(huán)角對輸入光束大小不敏感，因此為整形提供了更大的靈活性。這是因?yàn)榄h(huán)的直徑是恒定的，但其厚度和中心光斑大小可以通過在準(zhǔn)直器后應(yīng)用可變望遠(yuǎn)鏡或使用不同的準(zhǔn)直器來修改。這與基于光纖的環(huán)整形形成對比，環(huán)形厚度與中心點(diǎn)的關(guān)系是固定的，因?yàn)楣饫w的幾何結(jié)構(gòu)基本上只是成像到工作平面上。

正如這篇文章中所描述的，與環(huán)形光纖激光器相比，基于衍射的環(huán)形整形模塊在焊接方面提供了多種優(yōu)勢，同時(shí)具有簡單、低成本和堅(jiān)固的特點(diǎn)。

來源：Photonics Views - 2021 - Brodsky - Adjustable ring shaping for laser welding applications，DOI: 10.1002/phvs.202100046