為克服激光焊接過程中產(chǎn)生的飛濺和羽輝，降低對(duì)焊接頭光學(xué)鏡片的污染，保證焊接質(zhì)量。

提出通過雙芯光纖生成動(dòng)態(tài)與靜態(tài)復(fù)合環(huán)形光束 ，實(shí)現(xiàn)高功率激光分光比例連續(xù)可調(diào)（0級(jí)光束能量占比為24%~90%）。 靜態(tài)復(fù)合環(huán)形光束能量分布固定，動(dòng)態(tài)光束能量呈周期性變化（頻率范圍1~150kHz），且79%的動(dòng)態(tài)光束熔深優(yōu)于靜態(tài)光束。 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)圓心光束能量占比為50%時(shí)，焊縫熔深更大且羽輝高度更低，尤其在動(dòng)態(tài)模式下效果顯著。 研究結(jié)果對(duì)推廣 復(fù)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(shí)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(kuò)大工藝窗口，提出通過光束整形在工件上產(chǎn)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(shì)，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(qiáng)度和更高的產(chǎn)量。

光束整形既可以指用來描述通過使用光學(xué)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(zhì)量，比如采用可調(diào)節(jié)環(huán)形光束（由圓心與環(huán)形組成的復(fù)合光束）進(jìn)行焊接，匙孔直徑會(huì)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(dòng)。還可通過改變可調(diào)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(shí)現(xiàn)匙孔焊接與傳導(dǎo)模式焊接的靈活相互轉(zhuǎn)換。

2018 年通快公司研發(fā)了環(huán)形可調(diào)BrightLine Weld  焊接技術(shù)，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(diào)焊接技術(shù)BrightLine Weld

激光束被同時(shí)耦合至內(nèi)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(yùn)用，可以將兩纖芯之間的功率分配調(diào)整到所需應(yīng)用的最佳狀態(tài)。BrightLine Weld 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括[3]：

（1）在保持焊縫質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，焊接強(qiáng)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?？梢詼p少停機(jī)時(shí)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(zhì)量下，可以高效率節(jié)省高達(dá)50%的能源。

（4）產(chǎn)生高質(zhì)量焊縫，焊縫既不會(huì)出現(xiàn)咬邊也不會(huì)出現(xiàn)末端凹陷。由于對(duì)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(diào)節(jié)環(huán)形光斑（Adjustable Ring Mode）技術(shù)

2018 年初，相干 Coherent 公司通過大量實(shí)驗(yàn)證明改變聚焦激光光斑在工件上的強(qiáng)度分布，使其分布區(qū)別與傳統(tǒng)的單峰高斯分布，可實(shí)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(yīng)用的創(chuàng)新型光纖激光技術(shù). 金屬加工:熱加

工, 2018, 000(003):25-26.

過去，在利用光纖激光器進(jìn)行材料加工時(shí)，消除飛濺的方法主要包括在遠(yuǎn)低于大氣壓的環(huán)境條件下進(jìn)行激光加工（毫巴范圍內(nèi)），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(gè)或多個(gè)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(diào)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(jié)果。兩束激光具有不同的亮度和強(qiáng)度，甚至可能具有不同的波長。通過調(diào)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(fù)合光束進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦對(duì)工件加工處理。如圖 1-2（b）所示，為雙芯光纖的橫截面，內(nèi)心和外芯的功率調(diào)節(jié)通過兩個(gè)激光源單獨(dú)調(diào)節(jié)，并根據(jù)工件的要求進(jìn)行調(diào)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(shí)驗(yàn)，用FL-ARM 光纖激光器對(duì)鋁進(jìn)行焊接，驗(yàn)證了可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑在深熔深與表面質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)。由于鋁材料吸收率隨著溫度而變化，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)，吸收率迅速增加，焊接過程變得非常不穩(wěn)定，從而產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致焊接表面質(zhì)量下降。當(dāng)利用可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑進(jìn)行焊接時(shí)，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(zhì)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(duì)不銹鋼部分熔深的工藝穩(wěn)定性、焊縫幾何特征和機(jī)械性能的響。Lin Wang 等人[8]研究了在不同功率調(diào)制模式下的焊接過程，通過實(shí)驗(yàn)測量了匙孔的入口區(qū)域，并驗(yàn)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(shì)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行比較，可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑增加了高質(zhì)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(diào)節(jié)中心與環(huán)形激光束的功率分布，與單光束焊接進(jìn)行比較，驗(yàn)證了可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑激光焊接具有更大優(yōu)勢(shì)。）

[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(duì)激光切割頭進(jìn)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(shè)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(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)17 和聚焦透鏡系統(tǒng)15 之間的準(zhǔn)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(shè)計(jì)，六邊形布置可以實(shí)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(jié)構(gòu)。

軸錐體微透鏡陣列Axicon array lens 結(jié)構(gòu)降低了鏡片對(duì)安裝調(diào)試位置的敏感性，降低了對(duì)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(duì)加工質(zhì)量的影響。經(jīng)過 Action array 的每一小束準(zhǔn)直光斑，都被小軸錐棱鏡對(duì)稱的增加了小的偏轉(zhuǎn)角，最終均勻、對(duì)稱的分布到焦平面圓環(huán)上。PRECITEC 將聚焦鏡的曲面和每一個(gè)軸錐微透鏡鏡面疊加在一起減少了鏡片的數(shù)目，并對(duì)微曲面進(jìn)行了優(yōu)化，改善了環(huán)形光斑的銳利長度，加長焦點(diǎn)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(shù)

SPI 激光公司研發(fā)出的varimode 技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)光斑。不同的是，它是通過控制輸出光束質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的，不需要外部光學(xué)器件。最初，Paul Harrison[12]在激光器內(nèi)安裝有 ?100μm 的傳輸光纖，如圖 1-5 所示，光束質(zhì)量可以從3.2mm.mrad（M2=9.5）切換到5.8mm.mrad（M2=17）。從低光束質(zhì)量到高光束質(zhì)量的切換時(shí)間通常為 30ms，可以實(shí)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(shù)與IPG 公司的光束可調(diào)模式 YLS-AMB 技術(shù)，均可實(shí)現(xiàn)環(huán)形光斑技術(shù)。2020 年，銳科激光公司也研發(fā)出 RFL-ABP（Adjustable Beam  Profile）光束可調(diào)節(jié)激光器，可將光模塊獨(dú)立的耦合進(jìn)輸出光纖的纖芯與環(huán)芯，實(shí)現(xiàn)中心與環(huán)形的功率獨(dú)立調(diào)節(jié)。

激光焊接主要缺陷

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

氣孔可能在焊縫的各個(gè)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(huì)使焊縫中產(chǎn)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(dǎo)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(yán)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(chǎn)生拉應(yīng)力而引起開裂。目前，對(duì)于結(jié)晶裂紋形成的機(jī)理有多種理論進(jìn)行解釋，應(yīng)變理論、脆性溫度區(qū)理論和不能適應(yīng)環(huán)境理論是常用的。在焊接過程中，往往通過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)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(guān)。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自，公眾號(hào)“能量束加工及應(yīng)用技術(shù)”《光束整形-可調(diào)節(jié)環(huán)形光束》，版權(quán)歸原作者所有，僅用于學(xué)習(xí)、交流用途。如涉及版權(quán)問題或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們（手機(jī)|微信：13697356016），我們將第一時(shí)間處理或刪除。