本文为大家介绍了一种可以对激光束的形状进行任意设计、形状频率可以改变、光束的空间排列可任意切换、焦点位置可随时可调的新技术。

0、背景介绍

激光加工技术的引入，使得汽车和航空航天工业中的材料加工发生了革命性的变革。激光在很多领域都取代了传统的加工工具，并将在加工质量、可靠性和效率上提升到一个新的水平。对工业界来说，新材料的不断涌现，要求加工速度更快、效果更好，这些要求成为时代的主旋律，这就要求激光技术的发展能够与时俱进。

目前的现状却是，材料的加工要求所需要进行革新的速度比新激光器发展的速度要快得多。例如，汽车部件现在是由多种不同的合金组合在一起的，经常需要将并不对称的不等厚部件焊接在一起或者是将异种金属/合金焊接在一起。

这一现状就为制造带来了新的挑战，尤其是在高速下进行焊接的时候，如何避免裂纹和气孔等缺陷的产生就显得非常重要。

在当前，有多种办法来解决这一问题，如光束整形，这一手段部分的解决了这一困境，主要弊端在于它不可能同时最大限度的发挥激光的成本优势和产能优势。例如，你可以使用衍射光学元件（Diffractive Optical Element（DOE））来改变光学的形状，但是，一旦一个新的光学形状被设计出来并被成功实施的话，它就不能在飞行加工的过程中进行改变。换言之，机械扫描可以解决匙孔不稳定的问题，但他们却受限于运行时所能达到的最大速度，即经常存在速度不够快的问题。

那目前的现实问题就是，激光技术必须随着激光加工工业的发展共同进步。标准化的激光并不会提供柔性化的需要来满足激光设备优化的需要和用来完全发挥出激光的效力。这一激光柔性技术的实现可以通过动态激光束整形来实现，这可以允许你对光束进行个性化的设计以最大化程度的发挥出其性能。

1、柔性化的对材料加工技术进行变革

由于当前激光加工所面临的问题时柔性差，最有效地办法就是光学相控阵（Optical-Phased Array（OPA））。

OPA是可以实现光束相干合成（Coherent beam Combining（CBC））的一种可能的办法，是整合单模激光束变成一个更大的激光束的办法。

由于每一激光束都会发射出属于它自己的光，这样在远场就会存在重叠区域，从而产生衍射斑。用简单的术语来说就是，这一过程解锁了其柔性，从而可以非常容易地实时操控光束的形状。基本上来说，你可以像使用铅笔一样来使用激光，从而绘制出你所需要的任何形状的激光束来。

需要强调的时，并不是仅仅只有激光束是柔性的，这一技术具有四个显著的技术特征，分别是：

光束形状可改变

光束频率可调节

光束排序可调整

光斑焦点可导航

接下来让我们看看以上四个方面的柔性是如何影响焊接质量的。

2、 光学形状的改变

激光束的形状呢，对材料加工过程会产生非常直接地影响，而且每一不同的光学形状会形成特定的焊缝形状和显微组织。你所需要的每一特定的形状主要取决于你所需要的结果，很多时候，一个非常小的调整，经常会带来非常巨大的改变。

现有的解决方案并不能给你提供非常多的选择，从而实现不同的光学形状，更别提单独设计出你所实际需要的形状了。

当使用动态光学调整的激光的时候，将会非常容易的设计出相应的形状，上传到激光软件中，然后就可以通过焊缝的横截面的分析，就可以得出在一个短周期内的影响。这一过程的简单和高效，使得有可能来测试多个光束形状的影响以对特定的焊接优化出最佳的效果的形状来。

图和视频　光学相控阵（CBC）和相干光束合成（OPA）

例如，当焊接异种金属的时候，DBL将可以允许使用两个激光光斑同时移动，从而满足焊接均匀性的要求。

上述设想在采用标准激光的时候是不可能实现的。下面用一个案例来说明DBL的效用是如何实现诸多类型的材料加工的。

３、光学形状改变的频率

一旦你设定了光束的形状。你就可以设置激光束在不同的速度下产生不同的形状来，这就是我们所说的形状的频率。速度影响着焊缝的特征，并且，如果优化不到位的话，则会造成诸如飞溅之类的缺陷，如频率为５０MHｚ的时候，这一速度非常快，以至于它有点像准静态的形状，并将会产生同ＫＨＺ或Ｈｚ频率相比完全不同的效果。

图　改变频率时得到的结果

随着光束的调整，其频率则会非常容易改变。由此就可以在不同的速度下来测试哪一种情况尤其适合特定的材料加工。在某些场合下，可能仅仅是频率的差别就会造成显著地改善焊缝质量。

４、光束的空间排序

光束的空间排列则在另外一个层面增强其柔性，使得你有能力在快如毫秒的时间内在不同的光束形状之间进行切换。这就意味着你可以创造一系列不同的光束形状并将其编写在程序里面按照一定的次序及性能要求来运行，以不同的速度来运行，以你所选择的任何间隔来进行。你所选择的光束排序，理所当然的，取决于你所要达成的目标，但这最终要满足你所需要的柔性加工的需求。

当前的解决办法是仅可能利用最小的改变来尽可能多的满足多的材料加工。这就意味着每种模式只能满足特定材料的加工。

图：光束空间排列对焊接的影响

有了光束的空间排列序列，你就可以非常容易地对激光束进行编程，来从一种形状变为另外一种形状，以满足不同层的加工和使用不同材料地变化。通过这个办法，每一次均可以进行优化。

５、焦点的导航

标准的激光，其焦点的深度很浅，由此使得大量的热集中在一个非常小地范围内。

这就导致光束的其他区域内地温度显著地要低一些。这就造成材料的整个深度方向上性能的不一致。单模激光的聚焦深度就要大得多，并且动态激光束是单模激光，同样可以对聚焦进行导航。这就意味着，你可以在Z轴方向上改变焦点位置，这样在加工的时候，可以对材料在任何时间内以任意速度对焦点进行改变。

，时长

00:06

图和视频：激光焦点导航的示意图和视频

焦点的导航在焊接厚板的时候尤其有用，使得焊缝更加光滑和焊缝性能更加均匀一致。与此同时，在切割时也会造成更加少的粗糙度和飞溅。

６、柔性的好处

DBL是一个强大的工具，使得激光产生在材料加工时会成为更加强大的工具和更加柔性的工具。

ＤＢＬ所具有的柔性可以提供许多的优点，具体包括：

通过匙孔稳定光束形状来减少气孔和飞溅；

即使是在高速时也可以得到稳定的匙孔；

使用无限的导航模式可以控制异种材料的性质；

由于不同部位之间热容不同，从而可以用DBL技术使不对称材料实现有限焊接。

７、小结

总而言之，它具有快速调节激光性能的好处，在材料加工过程中如同真实的游戏在上演。动态光学调整（DBL）相当于将激光能量置于手掌中来测试你所需要的，直到现在，都在可接受的范围之内。

对优势做一下总结：

图：德国斯图加特的研究人员将会利用该设备来研究动态光束改变时进行激光小孔焊接时的流体动力学，采用高速X射线映像进行观察