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)四個焦點，從而可以定制能量分布。結(jié)果表明，在深熔激光焊接過程中，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），因此可以實現(xiàn)相對快速的加工。出現(xiàn)了兩個主要挑戰(zhàn)：

1，激光束尺寸相對較小，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接合伙伴之間的間隙傳輸時，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)生的動態(tài)效應(yīng)會導(dǎo)致熔池移動和噴射，稱為飛濺。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。

避免激光束通過連接伙伴之間的間隙傳輸并穩(wěn)定的一個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)可以通過能量的動態(tài)再分配來改善激光加工，例如無填充材料的遠(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)的空間強度分布。這種技術(shù)已經(jīng)使用了很長一段時間，例如使用線梁對大面積區(qū)域進(jìn)行硬化。

為了應(yīng)對現(xiàn)代多千瓦激光器不斷增長的功率，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p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）無限設(shè)計自由度的衍射光學(xué)元件對激光束進(jìn)行整形外，還進(jìn)一步開發(fā)了折射光束整形方法，以實現(xiàn)無損能量再分布，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強度分布的空間再分布，而在焊接過程中變?yōu)閠op hat光束時，觀察到飛濺減少。多模激光器的無損折射光束整形解決方案以光學(xué)的形式實現(xiàn)，將激光能量沿光軸或焦平面上的多個光斑分割成多個焦點（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個焦點，b）焦平面中的多個點（quat-troXX）。（來源：Leaflets by Adloptica）

使用專利光學(xué)設(shè)計的foXXus光學(xué)器件實現(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，提供最多四個單獨的焦點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foXXus設(shè)備可提供各種聚焦組合：2近焦、2遠(yuǎn)焦、4焦。對于foXXus準(zhǔn)直器，可以通過改變聚焦透鏡的焦距來改變焦點之間的距離。這是優(yōu)化激光能量沿光軸分布參數(shù)的一個強大工具，尤其適用于以下實驗數(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圖案?？捎玫膓uattroXX點（模式）有正方形、菱形母線、直線和雙點，其特點是獨立點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)整強度分布。作為一種無焦光學(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。

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

實驗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配置引起的單獨鎖孔形成的詳細(xì)視圖（圖2）。鎖孔前端可明顯熔化加工區(qū)前方的基材，前方有一個狹窄的熔池立即進(jìn)入鎖孔。從尾隨點開始的第四個鎖孔位于熔池內(nèi)。熔體池被認(rèn)為是穩(wěn)定的，顯示出較低的熔體波動。

圖2由四個激光點產(chǎn)生的匙孔的高速成像幀。

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

圖3幾種梁形狀的間隙橋接能力。

與單點焊接配置相比，所有測試的quattroXX點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導(dǎo)致更有效的能量輸入。熔池向連接伙伴板移動，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波長的激光照亮加工區(qū)，而相機前面的陷波濾波器保證僅記錄該波長的光。在每個視頻500幀的序列中使用了飛濺識別和跟蹤算法。

然后，MatLab代碼識別單個飛濺物及其中心點，同時記錄每幀的飛濺物數(shù)量。為了避免在多個幀中多次計算相同的飛濺，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，飛濺數(shù)量才會增加。根據(jù)記錄頻率，計算每秒飛濺量，并對不同光束形狀的焊接試驗進(jìn)行了比較。

計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，這表明動態(tài)過程行為不同。

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)生時間。

對于橫向光束成形實驗（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的布置似乎有一個過于明顯的中心點，它暫時導(dǎo)致激光通過間隙傳輸，從而導(dǎo)致不均勻的能量輸入，這是由兩個支撐點的不均勻加熱所支持的。配置B、C和D導(dǎo)致了一個高效和穩(wěn)定的過程，這是由于能量輸入到連接的伙伴板中。

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

總的來說，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，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的熔體池。一個加寬的匙孔開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驗，可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)以對稱方式將能量輸入分配給連接伙伴時，能夠以低飛濺的方式彌合間隙，而中心額外的低強度斑點會降低熔體池的動態(tài)行為。熔體混合的條件可能是通過將熔體從單獨的鍵孔引導(dǎo)到另一片來實現(xiàn)的，這保證了熔體連接。

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

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

來源：Photonics Views - 2021 - Volpp - Beam shaping solutions for stable laser welding, DOI: 10.1002/phvs.202100058