转自 江苏激光产业技术创新战略联盟
江苏激光联盟导读：
研究新的动态调控激光光束技术对微加工、高功率焊接和切割的柔性的提高和精度的改善非常重要。
新能源电动汽车的蓬勃发展，首先要解决的是精密制造中满足高容量材料的加工问题。为了满足电池堆的排列和连接，拓展增材制造技术和激光焊接技术的应用，应用新的以合金为基础的冷却系统，这些发展趋势使得制造者不得不开发出新的加工工具来帮助他们解决这些问题。
本研究则向大家解释为什么制造商们会不断的替代传统的机械加工技术和以激光作为加工工具的热焊接技术。同传统的热焊接技术相比较，激光为基础的技术由于其能量密度高，而只需要较少的热输入就可以完成加工任务。激光焊接同时还最大程度地降低了潜在地变形。
所有的焊接军均括熔池的形成和随后的快速冷却凝固过程，这些因数决定着焊缝金属的性能和结构。激光焊接的高能量，然而，不仅熔化了材料，同时还会导致材料的气化。在焊接过程中材料的气化会在材料中产生气体毛细管。这一毛细管通常被称为匙孔（小孔），从而使得激光能源能够获得非常大的深宽比焊缝，定义为焊接穿透的深度和焊缝的宽度的比值。
同热焊接相比较，传统焊接可以得到深度浅且宽的焊缝，激光焊接时的大的深宽比会转换成潜在的低的部件变形。匙孔（小孔），然而，同时也带来挑战，这是因为它的稳定性对获得高质量的焊缝至关重要。当焊接诸如钢和镍这类高吸收材料的时候，匙孔（小孔）通常会保持稳定，并促使获得高质量的焊缝。然而，当焊接铜合金、铝合金和高合金材料时，匙孔（小孔）就会变得固有的不稳定，使得工艺过程变得不稳定，极易出现气孔和飞溅，从而影响焊接质量。
尽管面临着以上这些挑战，汽车工业的制造商们仍然致力于将新能源汽车电动化，其解决方案就是转向以新的激光技术为基础的材料加工工具来进行焊接、切割，或者组合和加工满足特定用途的复杂产品。激光技术使得工业界能够与对部件整体设计、成本-高效的解决方案的步伐保持一致（见图1）。而成本的不断下降和功率的不断增加，使得激光这一焊接工具不断升级，以满足制造商对加工应用的特殊需求。尤其是，当激光功率增加时，对应用中要求保持匙孔（小孔）的稳定以及焊接接头的组织特性，就对工艺参数的定制就显得至关重要了。
图1 电动汽车的发展对制造商和焊接提出了新的挑战。除了引入全新的部件和系统之外，电动化还进一步的引入了铜合金和铝合金等材料的大量应用。激光焊接技术及其装备使得电动化所需要的成本-效率方面的要求能够保持同步，但这些工具将得益于光束的巨大的柔性和控制。
保持的匙孔（小孔）稳定性
制造商们可以定制激光加工参数，如波长、脉冲能量、重复频率、输送速率以及光斑形状、光斑尺寸和光斑处的能量强度的分布。通常的材料加工技术，在今天的应用中包括配备快速扫描的Wobble焊接头，使用绿光或者蓝光波长的激光源、使用可变的重叠的强度分布，通过两个光纤重叠在一起形成一个光纤的可变的重叠强度分布技术等，见图1-0
图1-0 由于将两个光纤合并到一个光纤中，其中一个作为新的光纤的核心中输送激光，另外一个分布在新的光纤的环形周围中，从而形成功率的输出时，其能量可以改变的结果。这种形状的激光光束分布可以在焊接的时候很好的防止飞溅的产生。
光束调整技术可以分为三个大的类别：静态、可变和动态。衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）提出了一个成本-效用高的光束整形方案，通过在鲁棒窗口上发射一个薄的衍射光斑，衍射和调制光通过它的相位。对静态光束调整来说，大量的光学衍射元件（DOE）可以用于定制激光束输出到工件上进行加工。静态光学整形的问题是，只有当用户对要求加工的参数定义非常明确而且不需要工艺柔性的时候才是比较适合的选择。
衍射光学元件也可以通过调节环形调节器，将光束分割到中央的尖头上，或者中心光束上和周围的环形光束上来增加激光加工的柔性。这一选择需要一个单轴偏移或旋转以改变中心和环形光束的强度比例。当这一光束解决方案可以提特定工艺的加工柔性，前提是用单一设备来完成的特定的任务。
图2
图2-1 可以设计出任意形状的光斑形状来。
图2-2 对 AA3003铝合金进行非熔透搭接激光焊接（ partial penetration lap welding）时光学形状变化的测试。
图3 在动态光学激光调整的运行过程中，从单一种子光纤中处理啊的激光束进行分割并通过一个平行排列的电-光调节器，每一个进行驱动一个光学放大器。
动态光束整形技术
这一光学相场排列增强的动态光学整形技术使得光纤激光能够传输高达100KW的激光的水平（控制多模）。最近的发展则增加了其控制的能力，不仅可以控制光束的形状，还可以控制光束形状改变的频率、频率以及焦点的位置。调节这四个参数，使得激光工艺参数的优化前所未有的可以控制熔池以满足甚至超过材料焊接性能所要满足的要求。
如同前面所讨论的，激光束的形状对材料的加工具有十分直接的影响。不同的形状可以获得忒的那个的焊缝形状和组织，所需要的韩粉形状主要取决于所要求达到的结果，并且经常是一个小的改变和调整，往往会带来意想不到的效果。现有的光束整形解决方案并不能提供足够的柔性来实现较为宽广的形状变化，更别提设计出任何有需要的光束形态了（图4）。
光束形状上的一个小的改变通常会带来巨大的效果上的改变。尽管如此，直到现在，大多数的光束形状的解决方案只能提供有限的选择和并没有能力实现动态的设计光学形状的能力。光束形状调整的能力可以实现特定的焊缝形状和显微组织，主要取决于所需要的结果。
图4 动态光束调整时使用一种快速的优化不同的焊接工艺的技术，使用的是测试多个设置步骤来确定的光束形态对焊缝的影响。
相反，动态光学形状调整的出现是伴随着软件的出现而发展的，操作者利用软件设计出具体应用所需要的形状来，上传所设计的程序到激光加工系统中，然后观察焊缝的横截面并进行分析，这一过程的简单和速度使得该技术有可能用来评估多个形状和进而选择出最优的光学形状方案来以进一步的满足特定的焊缝要求。紧接着，进一步的发展将使得实现实时监控光束的形状成为可能，使得可以在飞行的过程中进行光束形状的优化（图5）。
图5 出现的动态光束调整是伴随着软件的快速发展使得用户可以设计光学形状并进行优化以满足特定的焊接应用。通过点击用户操作界面，例如，用户可以设计出想象的光学形状和排列来，非常容易地评估不同形状以找到特定焊接结果所需要地最优化地光学形状来。
光学形状改变的频率、光学形状的空间排序和焦点导航
一旦所需要的光学形状被设计出来，产生这一光学形状所需要的速度就可以进行设定。产生这一光学形状所需要的时间称之为形状频率，并且它将影响焊缝的特征，这是因为一个并没有被很好的进行优化的速度同样会引起诸如飞溅类的缺陷。快速的频率，如50MHz，就是非常快的速度使得光学形状的改变好像是准静态的形状，由此产生同KHz或Hz范围内所得到的完全不同的效果来。
在光束形状变化时，其频率的改变决定了被加工材料所需要的最佳状态。在某些情况下，频率的改变只是显著的改变焊缝的特征。而光学排序的改变则为激光焊接的柔性最增加了一个新的途径，提供了在微秒时间内对光束形状进行切换的能力。光学排列制造出一系列不同的形状来，每一个形状满足特定的加工目的，获得特定的加工结果。激光通过编程来连续运行每一光束形状，以不同的速度和不同的间隔来进行。例如，如果一个形状用于稳定匙孔（小孔）和避免飞溅，而另外一个不同的形状则用于避免裂纹，于是很好的设计的光学排列则可以同时满足单一激光所能达到的目标。
图6 动态光学调整技术设计一个优化的光学排列的能力，提供了一个有效的工具来避免形成驼峰-驼峰是一种周期性发生的珠状形状的突起（案例为1mm厚的5052铝合金）
标准激光的焦点的深度比较浅，从而造成工件焊缝深度方向上的性能与组织不一致。单模激光具有较大的聚焦深度，并且动态光束调整激光为单模激光，可以对焦点进行导航，这就意味着Z轴方向上焦点位置可以随着材料的不同而随时和可以任意速度变化。
激光在固定焦点时，整个焊接过程会产生大量的和更多锯齿形状的焊缝，结果，这些问题可以通过光束的焦点位置导航来解决。焦点导航会创造出更多平滑。强度高和更加均匀的焊缝。
将其整合在一起
动态光学调整的优势可以在很多方面加速和提高工业应用中的产能。窄的高斯焊缝提供了焦点控制予更广阔的空间，例如，剋允许激光来进行焊接和切割任意角度的加工对象而不仅仅时在垂直平面上，甚至是激光非常靠近工件表面的时候。相反地，采用大的焦距和使用镜子来在工件表面进行移动也会带来更多的潜在的好处。
将光束进行移动和焦点位置以一定的速度在几百兆的范围内运行的能力使得在工件表面上追踪不同的光束形状的能量分布以满足多种维度的应用。例如，当焊接两工件且中间存在间隙时，较高功率的能量且具有较窄的光束可以快速将大的光束形状通过间隙所得到的固态接头而刻写出其轮廓来。
在焊接操作时，动态光束形状控制着材料的熔池和热等离子体匙孔（小孔）。当光束移动到焊缝的下线时，材料从固态到液态到气态，然后再反向进行凝固。通过精确的控制熔池和减少附属物的飞溅，再凝固，在材料的理想状态凝固，从而形成高质量的焊缝。
这一光束控制可以允许实现异种材料，如铝合金和铜合金的焊接，这些异种材料在反射率、热熔以及熔点上均存在差异。光束控制进一步的允许激光将裂纹敏感性材料焊接在一起，或者提供精确控制的能量来将很薄的细线焊接在块体上。当穿透几层不同的采用钻孔工艺来实现的话，其快速的光束排列的能力可以实现在每层进行定制，且在毫秒内实现切换并获得更加均匀的孔。
动态光束激光调整技术可以允许用户充分发挥出激光这一工具的优势的同时，并避免这一工具所具有的刚性。动态光学激光调整技术在调整光束形状和频率上提供了足够的柔性且速度快和非常容易实现，与此同时创造了光束形状排列和光束焦点导航，所有这些使得动态光束调整在材料加工时如同玩游戏机一样方便（图6）。
文章来源：1.Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS和civan;
2.Haug, P., Weidgang, S., Seebach, J., Speker, N., Hesse, T., Bisch, S.: Beam Shaping BrightLine Weld – Latest Application Results. At: Lasers in Manufacturing Conference 2019 (LiM 2019).
