江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：
本文為大家介紹了一種可以對激光束的形狀進(jìn)行任意設(shè)計、形狀頻率可以改變、光束的空間排列可任意切換、焦點位置可隨時可調(diào)的新技術(shù)。

0、背景介紹
        激光加工技術(shù)的引入，使得汽車和航空航天工業(yè)中的材料加工發(fā)生了革命性的變革。激光在很多領(lǐng)域都取代了傳統(tǒng)的加工工具，并將在加工質(zhì)量、可靠性和效率上提升到一個新的水平。對工業(yè)界來說，新材料的不斷涌現(xiàn)，要求加工速度更快、效果更好，這些要求成為時代的主旋律，這就要求激光技術(shù)的發(fā)展能夠與時俱進(jìn)。

        目前的現(xiàn)狀卻是，材料的加工要求所需要進(jìn)行革新的速度比新激光器發(fā)展的速度要快得多。例如，汽車部件現(xiàn)在是由多種不同的合金組合在一起的，經(jīng)常需要將并不對稱的不等厚部件焊接在一起或者是將異種金屬/合金焊接在一起。
這一現(xiàn)狀就為制造帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在高速下進(jìn)行焊接的時候，如何避免裂紋和氣孔等缺陷的產(chǎn)生就顯得非常重要。

        在當(dāng)前，有多種辦法來解決這一問題，如光束整形，這一手段部分的解決了這一困境，主要弊端在于它不可能同時最大限度的發(fā)揮激光的成本優(yōu)勢和產(chǎn)能優(yōu)勢。例如，你可以使用衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element（DOE））來改變光學(xué)的形狀，但是，一旦一個新的光學(xué)形狀被設(shè)計出來并被成功實施的話，它就不能在飛行加工的過程中進(jìn)行改變。換言之，機(jī)械掃描可以解決匙孔不穩(wěn)定的問題，但他們卻受限于運行時所能達(dá)到的最大速度，即經(jīng)常存在速度不夠快的問題。

        那目前的現(xiàn)實問題就是，激光技術(shù)必須隨著激光加工工業(yè)的發(fā)展共同進(jìn)步。標(biāo)準(zhǔn)化的激光并不會提供柔性化的需要來滿足激光設(shè)備優(yōu)化的需要和用來完全發(fā)揮出激光的效力。這一激光柔性技術(shù)的實現(xiàn)可以通過動態(tài)激光束整形來實現(xiàn)，這可以允許你對光束進(jìn)行個性化的設(shè)計以最大化程度的發(fā)揮出其性能。

1、柔性化的對材料加工技術(shù)進(jìn)行變革

        由于當(dāng)前激光加工所面臨的問題時柔性差，最有效地辦法就是光學(xué)相控陣（Optical-Phased Array（OPA））。OPA是可以實現(xiàn)光束相干合成（Coherent beam Combining（CBC））的一種可能的辦法，是整合單模激光束變成一個更大的激光束的辦法。

        由于每一激光束都會發(fā)射出屬于它自己的光，這樣在遠(yuǎn)場就會存在重疊區(qū)域，從而產(chǎn)生衍射斑。用簡單的術(shù)語來說就是，這一過程解鎖了其柔性，從而可以非常容易地實時操控光束的形狀。基本上來說，你可以像使用鉛筆一樣來使用激光，從而繪制出你所需要的任何形狀的激光束來。

         需要強(qiáng)調(diào)的是，并不是僅僅只有激光束是柔性的，這一技術(shù)具有四個顯著的技術(shù)特征，分別是：

光束形狀可改變

光束頻率可調(diào)節(jié)

光束排序可調(diào)整

光斑焦點可導(dǎo)航

接下來讓我們看看以上四個方面的柔性是如何影響焊接質(zhì)量的。

2、 光學(xué)形狀的改變

        激光束的形狀，對材料加工過程會產(chǎn)生非常直接地影響，而且每一不同的光學(xué)形狀會形成特定的焊縫形狀和顯微組織。你所需要的每一特定的形狀主要取決于你所需要的結(jié)果，很多時候，一個非常小的調(diào)整，經(jīng)常會帶來非常巨大的改變。

        現(xiàn)有的解決方案并不能提供非常多的選擇，從而實現(xiàn)不同的光學(xué)形狀，更別提單獨設(shè)計出所實際需要的形狀了。

        當(dāng)使用動態(tài)光學(xué)調(diào)整的激光的時候，將會非常容易的設(shè)計出相應(yīng)的形狀，上傳到激光軟件中，然后就可以通過焊縫的橫截面的分析，就可以得出在一個短周期內(nèi)的影響。這一過程的簡單和高效，使得有可能來測試多個光束形狀的影響以對特定的焊接優(yōu)化出最佳效果的形狀。

圖片:光學(xué)相控陣（CBC）和相干光束合成（OPA）

        例如，當(dāng)焊接異種金屬的時候，DBL將可以允許使用兩個激光光斑同時移動，從而滿足焊接均勻性的要求。

        上述設(shè)想在采用標(biāo)準(zhǔn)激光的時候是不可能實現(xiàn)的。下面用一個案例來說明DBL的效用是如何實現(xiàn)諸多類型的材料加工的。

３、光學(xué)形狀改變的頻率

        一旦設(shè)定了光束的形狀。你就可以設(shè)置激光束在不同的速度下產(chǎn)生不同的形狀來，這就是我們所說的形狀的頻率。速度影響著焊縫的特征，并且，如果優(yōu)化不到位的話，則會造成諸如飛濺之類的缺陷，如頻率為５０MHｚ的時候，這一速度非常快，以至于它有點像準(zhǔn)靜態(tài)的形狀，并將會產(chǎn)生同ＫＨＺ或Ｈｚ頻率相比完全不同的效果。

圖：改變頻率時得到的結(jié)果

隨著光束的調(diào)整，其頻率則會非常容易改變。由此就可以在不同的速度下來測試哪一種情況尤其適合特定的材料加工。在某些場合下，可能僅僅是頻率的差別就會造成顯著地改善焊縫質(zhì)量。

４、光束的空間排序

        光束的空間排列則在另外一個層面增強(qiáng)其柔性，使得你有能力在快如毫秒的時間內(nèi)在不同的光束形狀之間進(jìn)行切換。這就意味著你可以創(chuàng)造一系列不同的光束形狀并將其編寫在程序里面按照一定的次序及性能要求來運行，以不同的速度來運行，以你所選擇的任何間隔來進(jìn)行。你所選擇的光束排序，理所當(dāng)然的，取決于你所要達(dá)成的目標(biāo)，但這最終要滿足你所需要的柔性加工的需求。 

        當(dāng)前的解決辦法是僅可能利用最小的改變來盡可能多的滿足多的材料加工。這就意味著每種模式只能滿足特定材料的加工。

圖：光束空間排列對焊接的影響

        有了光束的空間排列序列，就可以非常容易地對激光束進(jìn)行編程，來從一種形狀變?yōu)榱硗庖环N形狀，以滿足不同層的加工和使用不同材料地變化。通過這個辦法，每一次均可以進(jìn)行優(yōu)化。

５、焦點的導(dǎo)航

        標(biāo)準(zhǔn)的激光，其焦點的深度很淺，由此使得大量的熱集中在一個非常小地范圍內(nèi)。這就導(dǎo)致光束的其他區(qū)域內(nèi)地溫度顯著地要低一些。這就造成材料的整個深度方向上性能的不一致。單模激光的聚焦深度就要大得多，并且動態(tài)激光束是單模激光，同樣可以對聚焦進(jìn)行導(dǎo)航。這就意味著，可以在Z軸方向上改變焦點位置，這樣在加工的時候，可以對材料在任何時間內(nèi)以任意速度對焦點進(jìn)行改變。

圖片：激光焦點導(dǎo)航的示意圖和視頻

        焦點的導(dǎo)航在焊接厚板的時候尤其有用，使得焊縫更加光滑和焊縫性能更加均勻一致。與此同時，在切割時也會造成更加少的粗糙度和飛濺。

６、柔性的好處

        DBL是一個強(qiáng)大的工具，使得激光產(chǎn)生在材料加工時會成為更加強(qiáng)大的工具和更加柔性的工具。DBL所具有的柔性可以提供許多的優(yōu)點，具體包括：

可以由于產(chǎn)生的不同形狀的光束對裂紋敏感材料進(jìn)行預(yù)熱和而后熱而得到強(qiáng)度滿足要求的焊縫；
通過匙孔穩(wěn)定光束形狀來減少氣孔和飛濺；
即使是在高速時也可以得到穩(wěn)定的匙孔；
使用無限的導(dǎo)航模式可以控制異種材料的性質(zhì)；
 

       由于不同部位之間熱容不同，從而可以用DBL技術(shù)使不對稱材料實現(xiàn)有限焊接。

７、小結(jié)

        總而言之，它具有快速調(diào)節(jié)激光性能的好處，在材料加工過程中如同真實的游戲在上演。動態(tài)光學(xué)調(diào)整（DBL）相當(dāng)于將激光能量置于手掌中來測試你所需要的，直到現(xiàn)在都在可接受的范圍之內(nèi)。

以下是對優(yōu)勢做的總結(jié)：

圖：德國斯圖加特的研究人員將會利用該設(shè)備來研究動態(tài)光束改變時進(jìn)行激光小孔焊接時的流體動力學(xué)，采用高速X射線映像進(jìn)行觀察 

文章來源：Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)/ University of Stuttgart/Civan