激光焊接的光束整形方法

随着激光焊接的不断发展，人们对激光束整形光学器件的需求日益增加。为了实现高加工效率，同时保持焊接质量。激光束整形能够在一些应用中大幅度提高激光焊接的速度，加快激光焊接效率。Holo/Or 为激光焊接提供多种光束整形解决方案，包括 Flexishaper（可调点环形光束整形器） 环形和点焊模块、C shaper 和 M shaper。

一般的激光焊接的光束整形方法是：

提供一组参数，如焊接速度、激光功率、材料厚度等，就可以通过参数找到最佳的激光束形状，使激光焊缝最均匀，没有隆起或波纹，并在激光焊缝的顶部和底部实现完全焊接。

常用的激光束整形焊接的形状有以下几种：

M shaper  ，M – 形激光束整形：

由于高斯光束中心功率大，边缘功率小。因此导致中心温度比边缘温度高，用于激光传导焊接时受热不均匀，容易产生杂质和隆起等缺陷。

M 形或环形点组合能使激光传导焊接应用变成理想的形态，因为它在熔池中产生更均匀的热分布，热量从环向内和点向外扩散，使得中心温度与边缘温度相差不多，保持环内热量均匀，可以有效地减少杂质和隆起等缺陷。

C shaper  ，C– 形激光束整形：

C 形激光束不是封闭的形状，就像c有个缺口，就是这个缺口可以让气泡和其他焊接缺陷有序地释放出去，使各个方向上均匀分布能量。因此，C 型激光束焊机能够提高激光焊接强度。但需要相对于激光焊接方向进行定向，因此最适用于激光线焊接或低速激光接。 

点环形光斑组合（Flexi-shaper）：

在使用高斯光束进行高速激光焊接时，经常会发生一些不好的现象，比如说驼峰。形成驼峰的主要原因是激光焊接通过后熔融金属没办法通过物体较冷的表面，从而导致熔融金属冷却形成一个类似驼峰的接缝表面。为了解决这个问题，可以在激光焊接前用由环形光斑和中心点光斑组合而成的光束来对表面进行预加热和后加热，使得激光焊接前后，表面一直保持较高的温度，让熔融金属能通过较冷表面从而更好地润湿和消除隆起。这可以通过 flexi-shaper 模块来完成，该模板需要为环和光斑组合的激光束整形应用提供了一种解决方案。点环形光斑组合可以调整光斑和环之间的能量分布，以实现每个过程的最佳激光束形状。

在 Blackbird Robotersysteme GmbH（黑鸟机器人系统有限公司） 进行的工艺测试中，使用了 flexi-shaper，通过制定环形光斑分布与高斯激光束形状的最大可能相比，将激光焊接速度提高了 40%。使用 flexi-shaper 激光光束整形器解决方案的结果如图 2,3 所示。

通过相对于彼此旋转 DOE 板来改变强度分布

光束整形还可用于激光焊接过程的监测和控制。对于激光焊接中使用的多千瓦激光器，通常很难同时对主光束功率进行采样并获得光束轮廓。这时就需要相机了，因为与高功率激光功率计相比，相机通常具有更高的灵敏度（和更低的 LDT）。相机可以通过使用单个衍射采样器来监控。衍射激光束采样器是一种衍射光学元件 (DOE)，设计用于分裂与主光束相同的子光束，具有预定的小部分功率，单个衍射分束器可以将激光分成任意束所需的光束，方便我们观察，例如 0.2%。主光束功率可以使用高功率激光功率计直接从样本前向顺序采样，而反射采样顺序（与前向顺序相比，衰减另一个约 100 倍）可以与相机一起使用以监控光束轮廓. 

在 70 m/min 和 820 W 下，不带和带环形光束整形的试焊结果比较。使用环形模式光束整形获得了更高激光焊接接缝质量。图片由黑鸟机器人系统提供

HOLO/OR 的最新研究发现，能使零级和周围的同心环之间的功率比全范围可调分配，与 HOLO/OR 的姐妹公司 SCANLAB 和 BLACKBIRD 合作进行了验证，并证明提高了焊接速度从45米/分钟到70米/分钟！

可调式激光束整形器的概念

可调式激光束整形器的概念是由 HOLO/OR 公司首次提出的，该公司利用单个被动式衍射光学元件设计了一种半动态光束整形器。

这个概念表明，一个单独的 DOE 可以被分成不同整形功能区域，因此，当旋转时，安装在移动平台上或与光束导向装置结合，能使每个功能区域都产生不同的光学整形效果。对于需要使用复杂昂贵的激光器或需要动态光束成形器的系统和应用，往往单被动DOE可以提供一种稳健且易于集成的光学解决方案。

其中一个应用是高速激光焊接。由于高功率激光器的价格越来越低，功率实际上不再是限制激光焊接速度的因素，而是以前一些无关紧要的物理现象，例如驼峰和咬边。这些现象成为限制激光焊接速度的主要因素。

这些现象对焊接速度的限制可以通过使用由光束整形器产生的剪裁分布来绕过，例如一个带有中心点的环，环和光点之间的功率比是可控的，动态变化的。

虽然这样的分布可以通过一个动态波束成形器来实现，但是这种器件的 LDT 通常不适用于高功率应用，因此，高LDT、无源组件(如DOE)是首选。然而，流程开发中对可调性的需求经常对 DOE 的使用构成挑战，但是Flexishaper 模块解决了这一挑战。

Flexishaper全范围点环光斑可调功率比模块

可调的点环形激光束整形器的概念是在调试不同整形功能区域的基础上进一步发展出来的，并于2021年5月作为Flexishaper模块发布。Flexishaper 模块由两个相同的光束整形器 DOEs 组成。当相互旋转时，输出功率分布从零级功率的100%连续过渡到同心环功率的80%，而零级功率几乎为0%，这里零级功率指的是中心点光斑的功率。由于该器件是一种全光束整形器，没有子孔径限幅效应，适用于单模和多模激光光束，光斑质量没有任何下降。

该装置已由 HOLO/OR 的姊妹公司 BLACKBIRD 与 SCANLAB 的3d 扫描系统一起投入试验安装，并证明克服了燃料电池高速箔焊接中的驼峰和咬边问题，使小于1kw 的单模激光焊接速度提高了50% 以上，从而为高要求的光束整形应用提供了一个经济有效的解决方案。

上图: 高斯光点在高速箔焊接时引起的严重驼峰效应；

下图: 高斯光点在高速箔焊接时产生的无驼峰效应的清洁焊缝，经过 flexshaper 集成后，以相同的功率和速度产生的驼峰效应。图片来源: BLACKBIRD。

Flexishaper 是为激光焊接工艺开发人员设计的模块。它使工艺开发人员能够找到最佳工作比的功率分布之间的中心点和周围环的具体工艺。一旦这个比率被确定，HOLO/OR 可以产生一个定制的DOE 以产生特定的最佳功率比，这个定制的DOE作为一个更具成本效益和更容易集成到最终系统的解决方案，完全不需要移动部件，因此没有故障点。Flexishaper DOEs采用纯熔融石英材料制成，具有高激光损伤阈值和高的传输效率，可根据客户要求定制大光束（2”光学元件） ，通常用于多千瓦激光系统。

激光束整形焊接常见问题

为什么激光焊接和激光束整形应用需要激光束整形？

对于激光焊接，在尝试更高的焊接速度时可能会出现许多不良现象，例如驼峰和咬边 。当使用定制形状的激光束加工时，这些不良现象可以通过激光束整形改良，并且可以实现更均匀的焊接。

激光焊接的激光束整形光斑通常采用哪些形状？

最常见的形状如 M 形、C 形或点环形光斑用于激光焊接。

激光光束整形还能实现哪些其他功能？

激光束整形可用于衍射光束采样器、任何其他需要平顶功率分布或任何其他定制激光束功率分布的激光束整形应用。

什么是 flexishaper？

Flexishaper 是一种由两个衍射光学元件组合而成的光学装置，Flexishaper是一种由2个衍射光学元件组成的光学设备，可以在中心光斑模式到周围同心环之间的连续全范围功率分配中修改任何输入光束(SM或MM)。

Flexishaper 是动态光束整形器吗？

不，flexishaper 不是一个动态的激光束整形器。Flexishaper是一种被动式衍射光学器件，具有被动元件固有的可制造性和稳定性优点，由于其独特的设计，同时具备激光束整形效果可调整的功能。

为什么我们需要光束整形器？

激光束整形器在激光系统中越来越普遍，因为近年来激光每瓦成本大大降低，在许多系统中功率不再是限制因素。激光束整形器，例如高斯平顶光束整形器和多光束分束器，使系统集成商和工艺开发人员能够优化他们对现有功率的使用。