為克服激光焊接過程中產生的飛濺和羽輝，降低對焊接頭光學鏡片的污染，保證焊接質量。

提出通過雙芯光纖生成動態(tài)與靜態(tài)復合環(huán)形光束 ，實現(xiàn)高功率激光分光比例連續(xù)可調（0級光束能量占比為24%~90%）。 靜態(tài)復合環(huán)形光束能量分布固定，動態(tài)光束能量呈周期性變化（頻率范圍1~150kHz），且79%的動態(tài)光束熔深優(yōu)于靜態(tài)光束。 實驗表明，當圓心光束能量占比為50%時，焊縫熔深更大且羽輝高度更低，尤其在動態(tài)模式下效果顯著。 研究結果對推廣 復合環(huán)形光束 至薄板縫焊與厚板深熔焊提供了重要參考，證實其在加深熔深和降低羽輝方面的有效性。

在激光光束方面，過去十余年為了提高工藝穩(wěn)定性以及擴大工藝窗口，提出通過光束整形在工件上產生各種形狀的激光光斑。光束整形在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)方面顯示出明顯的優(yōu)勢，包括減少飛濺、降低羽輝、提高匙孔穩(wěn)定性、更平整的焊縫角度、更好的焊縫強度和更高的產量。

光束整形既可以指用來描述通過使用光學器件（如光束振蕩）來改變激光光斑的形狀/改變能量（或模式）分布。也可通過改變光束輪廓的能量分布來優(yōu)化焊縫質量，比如采用可調節(jié)環(huán)形光束（由圓心與環(huán)形組成的復合光束）進行焊接，匙孔直徑會增大并且匙孔變得更加穩(wěn)定，周圍的熔融金屬物在匙孔周圍蒸發(fā)或順暢流動。還可通過改變可調節(jié)環(huán)形光束中圓心光束與環(huán)形光束之間的能量分布，實現(xiàn)匙孔焊接與傳導模式焊接的靈活相互轉換。

2018 年通快公司研發(fā)了環(huán)形可調BrightLine Weld  焊接技術，它基于將TruDisk  碟片激光器光束耦合至二合一傳輸光纖中：

[1] Speker N, Haug P, Feuchtenbeiner S, et al. BrightLine weld-spatter reduced high  speed welding with disk lasers. High-Power Laser Materials Processing:  

Applications, Diagnostics, and Systems VII. International Society for Optics and  

Photonics, 2018, 10525: 105250C.

環(huán)形可調焊接技術BrightLine Weld

激光束被同時耦合至內部纖芯與同軸的外部纖芯中，根據(jù)焊接材料要求、激光功率水平、焊接速度等運用，可以將兩纖芯之間的功率分配調整到所需應用的最佳狀態(tài)。BrightLine Weld 技術的主要優(yōu)勢包括[3]：

（1）在保持焊縫質量穩(wěn)定的情況下，焊接強度顯著提升。在低碳鋼的激光焊接中最大焊接速度可以無困難地增加 300%，在不銹鋼中可以增加 100% 。（焊接效率提升）

（2）將飛濺降到最少，熔渣更少，降低成本。可以減少停機時間，加工零件返工。（3）與其他固體激光器焊接相比，相同焊接深度，所需要的激光功率較低。在相同的焊接深度和質量下，可以高效率節(jié)省高達50%的能源。

（4）產生高質量焊縫，焊縫既不會出現(xiàn)咬邊也不會出現(xiàn)末端凹陷。由于對工件能量輸入的減少，零件變形非常小

[2] Feuchtenbeiner S, Zaske S, Schad S S, et al. New generation of compact high  power disk lasers. Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices.  

International Society for Optics and Photonics, 2018, 10511: 105110L.

[3] Feuchtenbeiner S, Dubitzky W, Hesse T, et al. Beam shaping BrightLine Weld:  latest application results. High-Power Laser Materials Processing: Applications,  

Diagnostics, and Systems VIII. International Society for Optics and Photonics,  

2019, 10911: 109110X.

可調節(jié)環(huán)形光斑（Adjustable Ring Mode）技術

2018 年初，相干 Coherent 公司通過大量實驗證明改變聚焦激光光斑在工件上的強度分布，使其分布區(qū)別與傳統(tǒng)的單峰高斯分布，可實現(xiàn)高效無飛濺的金屬加工解決方案[48]。

[48] Jarno Kangastupa. 適合挑戰(zhàn)性應用的創(chuàng)新型光纖激光技術. 金屬加工:熱加

工, 2018, 000(003):25-26.

過去，在利用光纖激光器進行材料加工時，消除飛濺的方法主要包括在遠低于大氣壓的環(huán)境條件下進行激光加工（毫巴范圍內），或者大幅度的降低加工速率。

如圖 1-2（a）所示，高亮度光纖激光器 A 通過光纖連接到激光光束合束器。同樣地，單個或多個固體激光器或者激光二極管B 通過光纖連接到光束合束器。所有入射的光束通過合束器耦合至雙芯光纖中。因此可調節(jié)環(huán)形光斑激光器的輸出特性是兩束激光在單根雙芯光纖中傳輸?shù)慕Y果。兩束激光具有不同的亮度和強度，甚至可能具有不同的波長。通過調節(jié)光纖激光器A 和固體激光器或激光二極管B 的功率，可以分別連續(xù)地控制輸出光斑中環(huán)形與圓心功率。激光器B是典型的光纖耦合激光器，由二極管泵浦的固體激光器諧振腔組成。雙纖芯光纖的圓心光斑由光纖激光器 A 輸出，環(huán)形光斑由激光B 輸出[4]。雙芯光纖另一端連接激光加工頭，將復合光束進行準直和聚焦對工件加工處理。如圖 1-2（b）所示，為雙芯光纖的橫截面，內心和外芯的功率調節(jié)通過兩個激光源單獨調節(jié)，并根據(jù)工件的要求進行調整[5]。

[4] Salokatve A, Kangastupa J, Amberla T, et al. Laser processing apparatus and  

method and an optical component therefor: U.S. Patent 10,807,190. 2020-10-20.

[5] Forsman T, Powell J, Lampa C, et al. Nd: YAG laser welding of aluminium:  

factors affecting absorptivity. Lasers in engineering (Print), 1999, 8(4): 295-310

Maina 等人[6]通過實驗，用FL-ARM 光纖激光器對鋁進行焊接，驗證了可調節(jié)環(huán)形光斑在深熔深與表面質量上的優(yōu)勢。由于鋁材料吸收率隨著溫度而變化，當溫度達到熔點，吸收率迅速增加，焊接過程變得非常不穩(wěn)定，從而產生大量飛濺。再加上高焊接速度的環(huán)境下，駝峰現(xiàn)象的出現(xiàn)也會導致焊接表面質量下降。當利用可調節(jié)環(huán)形光斑進行焊接時，圓心光斑中心功率有助與快速完全形成匙孔，而環(huán)形功率可以確保良好的溫度分布，從而穩(wěn)定激光焊接，獲得高質量的焊縫。

[6] Maina M R, Okamoto Y, Okada A, et al. High surface quality welding of  

aluminum using adjustable ring-mode fiber laser. Journal of Materials Processing  

Technology, 2018, 258: 180-188.

（Mohammadpour 等人[7]利用 ARM 研究并證明了中心和環(huán)形光束中激光功率對不銹鋼部分熔深的工藝穩(wěn)定性、焊縫幾何特征和機械性能的響。Lin Wang 等人[8]研究了在不同功率調制模式下的焊接過程，通過實驗測量了匙孔的入口區(qū)域，并驗證了雙模式激光焊接具有提高焊接過程穩(wěn)定性的優(yōu)勢。通過實驗結果，可以得出環(huán)形和中心激光束的協(xié)同提高了焊接過程的穩(wěn)定性。Masoud 等人[9],[10]將 FL-ARM 光纖激光器與單光束光纖激光器進行比較，可調節(jié)環(huán)形光斑增加了高質量焊接的可能性，在焊道和周圍區(qū)域觀察到大量的飛濺減少，通過調節(jié)中心與環(huán)形激光束的功率分布，與單光束焊接進行比較，驗證了可調節(jié)環(huán)形光斑激光焊接具有更大優(yōu)勢。）

[7] Forsman T, Powell J, Lampa C, et al. Nd: YAG laser welding of aluminium:  

factors affecting absorptivity. Lasers in engineering (Print), 1999, 8(4): 295-310.

[8] Mohammadpour M, Kong F, Lavoie J P, et al. Adjustable ring mode (ARM) fiber  laser in welding of 304 stainless steel sheets in partially penetrated lap joint  configurations. International Congress on Applications of Lasers & Electro Optics (ICALEO). 2019.

[9] Wang L, Mohammadpour M, Yang B, et al. Monitoring of keyhole entrance and  molten pool with quality analysis during adjustable ring mode laser welding.  Applied optics, 2020, 59(6): 1576-1584.

Beam Forming System 軸錐體微透鏡陣列

普雷特斯 PRECITEC 公司利用 Beam Forming System[11]對激光切割頭進行制造。如圖1-3 為其環(huán)形光束形成透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)在用于激光束加工材料的設備（如激光加工頭）的光路中具有軸錐微透鏡陣列10。將軸錐微透鏡陣列置于準直透鏡系統(tǒng)17 和聚焦透鏡系統(tǒng)15 之間的準直激光束14 中。激光束通過聚焦系統(tǒng)15 聚焦在工件18 上。軸錐微透鏡陣列也可以置于聚焦透鏡后，如圖1-4 所示微透鏡以六邊形網(wǎng)格設計，六邊形布置可以實現(xiàn)最佳的空間因數(shù)，軸錐鏡可以是錐體也可以是圓頂狀結構。

軸錐體微透鏡陣列Axicon array lens 結構降低了鏡片對安裝調試位置的敏感性，降低了對光斑不均勻性的要求，一定程度上降低了橫模不穩(wěn)定性對加工質量的影響。經(jīng)過 Action array 的每一小束準直光斑，都被小軸錐棱鏡對稱的增加了小的偏轉角，最終均勻、對稱的分布到焦平面圓環(huán)上。PRECITEC 將聚焦鏡的曲面和每一個軸錐微透鏡鏡面疊加在一起減少了鏡片的數(shù)目，并對微曲面進行了優(yōu)化，改善了環(huán)形光斑的銳利長度，加長焦點深度。

[11] Rudolf A. Beam forming lens system for laser cutting, and apparatus comprising  same: U.S. Patent Application 16/096,269. 2020-6-25

Varimode 及其他技術

SPI 激光公司研發(fā)出的varimode 技術，也可實現(xiàn)可調節(jié)光斑。不同的是，它是通過控制輸出光束質量來實現(xiàn)的，不需要外部光學器件。最初，Paul Harrison[12]在激光器內安裝有 ?100μm 的傳輸光纖，如圖 1-5 所示，光束質量可以從3.2mm.mrad（M2=9.5）切換到5.8mm.mrad（M2=17）。從低光束質量到高光束質量的切換時間通常為 30ms，可以實現(xiàn)在穿孔與切割之間的快速切換。

[12] Harrison P. Improving sheet metal cutting using a high-power fibre laser with  variable beam quality: Paul Harrison, chief engineer for product applications at  

SPI Lasers, describes a new mode of operation for fibre lasers that enables beam  

quality to be varied on demand. Laser Systems Europe, 2019 (43): 16-18.

AMADA公司的光束可變 ENSIS 技術與IPG 公司的光束可調模式 YLS-AMB 技術，均可實現(xiàn)環(huán)形光斑技術。2020 年，銳科激光公司也研發(fā)出 RFL-ABP（Adjustable Beam  Profile）光束可調節(jié)激光器，可將光模塊獨立的耦合進輸出光纖的纖芯與環(huán)芯，實現(xiàn)中心與環(huán)形的功率獨立調節(jié)。

激光焊接主要缺陷

激光焊接是一個非常復雜的工藝過程。通常，焊接過程產生的缺陷包括氣孔、裂紋、飛濺、熱影響區(qū)等，這里對幾種普遍缺陷產生原因進行簡要說明。

氣孔可能在焊縫的各個位置上均有分布且形態(tài)不同，可分為大氣孔和小的球形氣孔。大氣孔主要是由于熔融金屬在填滿小孔之前凝固形成，焊縫凝固的過程中氣體的析出過程也會使焊縫中產生氣孔。小氣孔大部分出現(xiàn)在焊縫的表面，是由氣泡在凝固過程沒有逸出導致。在焊接過程中，往往通過優(yōu)化工藝參數(shù)來減少氣孔的生成。裂紋在焊接過程中是一種較為嚴重的焊接缺陷，主要原因是材料在冷卻過程中的收縮受到約束，產生拉應力而引起開裂。目前，對于結晶裂紋形成的機理有多種理論進行解釋，應變理論、脆性溫度區(qū)理論和不能適應環(huán)境理論是常用的。在焊接過程中，往往通過優(yōu)化設計材料和添加輔助工具（如夾具，接頭等）來減少裂紋的形成。熱影響（Heat Affected Zone, HAZ）主要是在受熱循環(huán)的作用下，焊接的熔化和臨近區(qū)域會發(fā)生一些變化,該區(qū)域稱為熱影響區(qū)。在焊接過程中，熱影響區(qū)的性能和微觀組織會發(fā)生變化形成焊縫和母材之間的過渡區(qū)。熱影響區(qū)的寬度通常與激光功率密度、焊接速度等激光加工參數(shù)有關。

本文內容轉載自，公眾號“能量束加工及應用技術”《光束整形-可調節(jié)環(huán)形光束》，版權歸原作者所有，僅用于學習、交流用途。如涉及版權問題或侵權內容，請及時聯(lián)系我們（手機|微信：13697356016），我們將第一時間處理或刪除。