汽車電氣化只是重新定義精密制造中大批量材料加工要求的主要趨勢(shì)之一。從對(duì)齊和連接電池層的需要到增材金屬制造的擴(kuò)展部署，再到采用新的金屬合金冷卻系統(tǒng)，汽車制造商們?cè)诓粩鄬ふ覞M足生產(chǎn)需求的工具。

這種搜索有助于解釋為什么制造商們會(huì)越來越多地使用激光加工工具，以取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工和熱焊接系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的熱焊接工藝相比，激光技術(shù)由于光束的高能量而需要更少的熱量輸入。激光焊接可以最大限度地減少材料變形的可能性，同時(shí)最大限度地提高產(chǎn)量。

所有焊接方法都涉及到熔池形成和隨后的快速凝固，這會(huì)改變焊接金屬的性能和微觀結(jié)構(gòu)。然而，激光焊接的高能量不僅會(huì)熔化材料，還會(huì)使材料蒸發(fā)。焊接過程中的蒸發(fā)會(huì)在材料中產(chǎn)生蒸汽毛細(xì)管。這種小孔使激光焊接具有非常高的縱橫比優(yōu)勢(shì)（熔深與焊縫寬度的高比率）。

與通常提供更寬和更淺焊縫的熱焊接方法相比，激光焊接高縱橫比的結(jié)果就是較低的零件變形。然而鎖孔也可能帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)樗姆€(wěn)定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接至關(guān)重要。在焊接鋼和鎳等高吸收材料時(shí)，鎖孔通常保持穩(wěn)定，使激光焊接能夠獲得出色效果。但是在焊接銅、鋁和高合金材料時(shí)，鎖孔本身并不穩(wěn)定，這就容易出現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的不規(guī)則性，例如氣孔和飛濺物。

圖1：激光焊接設(shè)備使汽車制造業(yè)能夠應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車所需的生產(chǎn)成本和產(chǎn)量，這些設(shè)備將受益于靈活性和光束控制

盡管存在上述挑戰(zhàn)，但汽車制造商還是更多地轉(zhuǎn)向基于激光技術(shù)的新型材料加工工具來焊接、切割、組合和加工有先進(jìn)規(guī)格的復(fù)雜產(chǎn)品。激光技術(shù)使該行業(yè)能夠幫助廠商顯著地提高產(chǎn)量，作為整體經(jīng)濟(jì)高效解決方案的一部分（如圖1所示）。

雖然成本降低部分源于激光焊接工具提供的功率增加，但這種功率的應(yīng)用為制造商帶來了一些額外考慮。具體而言，隨著激光功率的增加，為應(yīng)用定制工藝參數(shù)以保持小孔的穩(wěn)定性以及焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)，就變得越來越重要。

保持鎖孔穩(wěn)定性

制造商可以定制激光工藝參數(shù)，例如波長(zhǎng)、脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間、重復(fù)率和進(jìn)給率，以及激光束光斑的形狀、大小和強(qiáng)度。當(dāng)今，常見的材料加工技術(shù)包括使用快速掃描儀的擺動(dòng)焊接、使用發(fā)射綠光或藍(lán)光激光器，或使用二合一雙芯光纖的可變疊加強(qiáng)度分布。

激光光束成形的方法分為三類：靜態(tài)、可變和動(dòng)態(tài)。衍射光學(xué)元件通過在窗口上發(fā)射薄圖案來提供具有成本效益的光束整形，該窗口會(huì)衍射和調(diào)制通過它的光相位。對(duì)于靜態(tài)光束整形，可以使用各種衍射光學(xué)元件定制工件的激光束輸出。然而，靜態(tài)解決方案的問題在于，只有當(dāng)不需要工藝靈活性時(shí)，才是合適的選項(xiàng)。

圖2：光學(xué)相控陣。每個(gè)激光發(fā)射自己的光，與遠(yuǎn)場(chǎng)中的其他光束重疊形成衍射圖案

圖3：在動(dòng)態(tài)光束激光器工作期間，來自單種子光纖激光器的光束分裂并通過平行陣列的電光相位調(diào)制器，每個(gè)調(diào)制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)光放大器

衍射光學(xué)元件還可以通過使用可調(diào)節(jié)的環(huán)形成形器來增加激光的靈活性，該環(huán)形成形器將光束分成中心尖峰或核心光束和周圍的環(huán)形光束。此選項(xiàng)需要單軸移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)改變核心和環(huán)形光束之間的比率強(qiáng)度。例如，雖然此類光束整形解決方案可以使單一設(shè)備在批量生產(chǎn)中提高給定流程的靈活性，但它們卻無法充分支持日常業(yè)務(wù)的頻繁變化操作。

動(dòng)態(tài)光束整形方法

為了給制造商提供他們需要的工具，從而擴(kuò)大激光材料加工市場(chǎng)，研究人員幾十年來一直在追求動(dòng)態(tài)光束整形技術(shù)。目前有四種動(dòng)態(tài)塑造激光束的方法。它們涉及振鏡掃描儀、壓電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器、基于微機(jī)電系統(tǒng)的掃描儀或光學(xué)相控陣。如今，許多供應(yīng)商都提供了振鏡掃描儀，它們可用于單模光纖激光器焊接時(shí)以圓形或“8”字形圖案輸出。

壓電驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器通過改變激光束的焦距為振鏡掃描儀提供第三個(gè)控制軸。該技術(shù)目前正在從研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)世界的工業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，基于微機(jī)電系統(tǒng)的掃描儀為低功耗應(yīng)用提供了動(dòng)態(tài)光束整形選項(xiàng)。在大功率應(yīng)用（例如連續(xù)焊接工藝）中確保掃描儀的穩(wěn)定性，仍然是一個(gè)有待克服的挑戰(zhàn)。

這些光束整形解決方案都沒有提供完整的解決方案，從而讓制造商無法優(yōu)化電動(dòng)汽車生產(chǎn)的激光器成本和生產(chǎn)力。雖然衍射光學(xué)元件可以改變激光束的形狀，但一旦設(shè)計(jì)和生成了新的形狀就無法即時(shí)更改。此外，機(jī)械掃描儀可以解決鎖孔不穩(wěn)定性的問題，但它們又受到設(shè)計(jì)運(yùn)行的最大速度和功率的限制。

進(jìn)入相干光束組合

以上討論的光束整形方法并沒有讓激光技術(shù)在材料加工應(yīng)用中充分發(fā)揮其潛力。光學(xué)相控陣提供了另一種可能更有效的解決方案。相控陣是一種相干光束組合技術(shù)，它將許多單模激光束合成一個(gè)更大的光束。每個(gè)激光器發(fā)射自己的光束，并與遠(yuǎn)場(chǎng)中的其他光束重疊，形成衍射圖案（圖2）。這個(gè)過程釋放了靈活性，可以輕松實(shí)時(shí)操縱光束形狀以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)光束激光器。

在動(dòng)態(tài)光束激光器操作期間，來自單模光纖激光器的光束分裂并通過平行的電光相位調(diào)制器陣列，每個(gè)調(diào)制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)光放大器（圖3）。Civan Lasers等公司的專有控制技術(shù)將這些多束單模光束組合成一個(gè)窄的、高功率的單模光束，提供更大的功率密度。

這種用于波束組合和控制的固態(tài)方法就像沒有移動(dòng)部件的相控陣?yán)走_(dá)一樣工作。相控陣通過差分激活陣列內(nèi)的每個(gè)小天線來引導(dǎo)雷達(dá)波束。類似地，在動(dòng)態(tài)光束激光器中，每個(gè)平行激光器可以產(chǎn)生重疊的光錐。

每個(gè)錐形點(diǎn)的差異會(huì)產(chǎn)生輕微的相移。在各個(gè)激光錐之間存在同相和異相區(qū)域，分別產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉。使用相位調(diào)制器來控制單個(gè)光束會(huì)產(chǎn)生干涉圖案，該干涉圖案可以改變以最大化光束點(diǎn)位置，從而根據(jù)光束運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種形狀圖案。所有這些都可以以高達(dá)數(shù)百兆赫的速度執(zhí)行。

動(dòng)態(tài)光束整形提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠改變激光的焦點(diǎn)。調(diào)整相位相互作用不僅可以在 XY平面上移動(dòng)光束，而且還可以改變光束在垂直方向上的焦點(diǎn)。這可以最大化不同深度的點(diǎn)能量，對(duì)于切割或焊接操作期間需要穿透厚材料時(shí)非常有效。

動(dòng)態(tài)光束整形

這種支持光學(xué)相控陣的動(dòng)態(tài)光束整形技術(shù)使光纖激光源能夠提供高達(dá)100kW的功率，并具有多模激光器所缺乏的控制水平。最近的發(fā)展進(jìn)一步增加了控制光束形狀以及形狀序列、頻率和焦深的能力。調(diào)整這四個(gè)參數(shù)，并通過管理熔池的方式提高舊材料加工技術(shù)（例如釬焊合金零件）的質(zhì)量參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的激光焊接工藝優(yōu)化。

圖4：動(dòng)態(tài)光束激光器允許用戶通過測(cè)試多種設(shè)置來快速優(yōu)化不同的焊接工藝，以確定光束形狀對(duì)焊接幾何形狀的影響

如前所述，激光束的形狀對(duì)正在加工的材料有直接影響。不同的形狀可以實(shí)現(xiàn)特定的焊縫幾何形狀和微觀結(jié)構(gòu)。所需的光束形狀取決于所需的結(jié)果，通常微小的調(diào)整就可以產(chǎn)生不同的結(jié)果?，F(xiàn)有的光束整形解決方案無法靈活選擇各種形狀，更不用說設(shè)計(jì)任何所需形狀的能力了（圖4）。

相比之下，新興的動(dòng)態(tài)光束激光解決方案與軟件相結(jié)合，使用戶能夠設(shè)計(jì)與應(yīng)用相關(guān)的光束形狀，將設(shè)計(jì)上傳到激光系統(tǒng)，然后使用橫截面分析觀察對(duì)焊縫的影響。操作過程的便捷和快速，讓研究人員評(píng)估多種形狀并為特定焊縫選擇最佳形狀成為可能。更進(jìn)一步，對(duì)光束形狀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，可實(shí)現(xiàn)光束的動(dòng)態(tài)優(yōu)化（圖5）。

頻率、排序和轉(zhuǎn)向

一旦設(shè)計(jì)了所需的光束形狀，就可以設(shè)置激光創(chuàng)建形狀的速度。創(chuàng)建形狀所需的時(shí)間稱為形狀頻率，它會(huì)影響焊接特性，因?yàn)榈陀谧罴阉俣葧?huì)導(dǎo)致飛濺等缺陷。快速頻率（例如50MHz）是如此之快，以至于形狀表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)形狀，產(chǎn)生的結(jié)果與在千赫茲或赫茲范圍內(nèi)的頻率下產(chǎn)生的結(jié)果完全不同。

圖5：動(dòng)態(tài)光束激光器配有軟件，允許用戶針對(duì)焊接應(yīng)用進(jìn)行光束形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

頻率與光束整形一樣也可以很容易改變。在某些情況下，頻率差異可能是顯著改善焊接所需的唯一變化。光束排序通過在微秒內(nèi)提供切換光束形狀的能力，為激光焊接工藝增加了另一層靈活性。光束測(cè)序會(huì)創(chuàng)建一系列不同的形狀，每個(gè)形狀都有特定的處理目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)所需的結(jié)果?？梢詫?duì)激光進(jìn)行編程，使其以不同的速度和設(shè)定的間隔連續(xù)穿過每個(gè)形狀。

例如，如果一種形狀可以穩(wěn)定鎖孔并避免濺射，而另一種形狀可以避免開裂，那么精心設(shè)計(jì)的這兩種形狀的序列可以在激光的單次通過中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。當(dāng)光束穿過堆疊的材料層以處理不同的材料（例如涂層和基板）時(shí)，光束排序程序還使激光器能夠從一種光束形狀變?yōu)橄乱环N光束形狀。

圖6：動(dòng)態(tài)光束激光器提供了一種有效的工具，在焊接1 mm厚鋁5052時(shí)避免隆起（珠狀突起的周期性出現(xiàn)）

標(biāo)準(zhǔn)激光器的焦深較短，導(dǎo)致工件的焊接深度不一致。單模激光器具有更大的焦深，動(dòng)態(tài)光束激光器是單模激光器，也可以控制聚焦。這意味著在過程中可以隨時(shí)以任何速度在材料內(nèi)改變Z軸上的焦點(diǎn)位置。

在焊接過程中應(yīng)用恒定焦點(diǎn)的激光器與那些能夠控制光束焦點(diǎn)的激光器相比，產(chǎn)生的結(jié)果大不相同，而且鋸齒狀的結(jié)果更多。焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向可以生成更平滑、更堅(jiān)固、更一致的焊縫。

將它們放在一起

動(dòng)態(tài)光束激光器的優(yōu)勢(shì)可以通過多種方式加速和提高工業(yè)應(yīng)用的輸出。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，也允許激光器以嚴(yán)格垂直平面以外的角度進(jìn)行焊接和切割。

以數(shù)百兆赫茲速度移動(dòng)光束及其焦點(diǎn)的能力能夠在工件上追蹤各種光束形狀圖案，以根據(jù)多種應(yīng)用的需要分配能量。例如，當(dāng)焊接兩個(gè)有間隙的零件時(shí)，高功率密度的窄光束可以快速跨過間隙刻出一個(gè)大的形狀，從而實(shí)現(xiàn)牢固連接。

在焊接操作期間，動(dòng)態(tài)光束整形控制材料的熔池和熔池中的熱等離子鎖孔。隨著光束沿焊接線向下移動(dòng)，材料從固體變?yōu)橐后w再到氣體，然后反轉(zhuǎn)。通過精確控制熔池并減少附帶飛濺，在材料的所需階段發(fā)生再凝固，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。

這種光束控制允許焊接反射率、熱容量和熔點(diǎn)不同的不同材料，例如鋁和銅。光束控制進(jìn)一步允許激光器將裂紋敏感材料連接在一起，或在需要將細(xì)線固定到散裝材料時(shí)提供精確的能量。在鉆孔應(yīng)用中穿透多層不同材料時(shí)，能夠在幾微秒內(nèi)快速排序，為每一層量身定制的連續(xù)光束形狀的能力將產(chǎn)生更均勻的孔。

動(dòng)態(tài)光束激光技術(shù)允許用戶利用強(qiáng)大的激光工具，同時(shí)避免其中一些工具的自身不足。動(dòng)態(tài)光束激光系統(tǒng)提供了快速輕松調(diào)整光束形狀和頻率的靈活性，以及創(chuàng)建光束序列和控制光束焦點(diǎn)，所有這些都使動(dòng)態(tài)光束激光器成為材料加工中潛在的游戲規(guī)則改變者（圖6）。