稳定的激光焊接光束整形解决方案——多焦点和多点光束，以桥接间隙和减少飞溅 _整形

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江苏激光联盟导读：
激光束是一种高度灵活的工具，用于许多材料加工应用。新的空间光束整形技术可以实现更进一步的功能，在轴向或横向上创建多达四个焦点，从而可以定制能量分布。结果表明，在深熔激光焊接过程中，一定的光束形状有助于抑制飞溅，增加可桥接间隙尺寸。

【稳定的激光焊接光束整形解决方案——多焦点和多点光束，以桥接间隙和减少飞溅】焊接是许多行业中广泛使用的连接结构的方法，也是最需要的制造方法之一。激光束焊接是一种先进的方法，由于高的局部能量输入和在深熔焊接模式下形成深焊缝的能力（其中建立了蒸汽通道或锁孔），因此可以实现相对快速的加工。出现了两个主要挑战：
1 ，激光束尺寸相对较小，直径的典型范围在50至600μm之间，这使得只有在激光束未通过接合伙伴之间的间隙传输时，才可能进行焊接。因此，不添加填充材料的焊接通常需要技术上的零间隙配置。
2 ，在深熔焊接模式下，通常发生的动态效应会导致熔池移动和喷射，称为飞溅。除材料损失外，这些喷出物还可能导致焊接零件表面出现不必要的飞溅附着，这需要额外处理。
避免激光束通过连接伙伴之间的间隙传输并稳定的一个有希望的方法是光束整形。我们研究了不同的方法，可以将适应性能量输入到材料中。光束振荡技术可以通过能量的动态再分配来改善激光加工，例如无填充材料的远程激光焊接。静态光束成形是将激光束输入材料的能量进行修改的另一种可能性，不仅可以优化预热和后加热条件，还可以优化加工区的空间强度分布。这种技术已经使用了很长一段时间，例如使用线梁对大面积区域进行硬化。
为了应对现代多千瓦激光器不断增长的功率，光束整形光学的最新发展旨在为加工区提供更高能量传输的最佳分配，而不会损坏光学元件。除了使用具有多芯的跨端口光纤或提供（几乎）无限设计自由度的衍射光学元件对激光束进行整形外，还进一步开发了折射光束整形方法，以实现无损能量再分布，减少光学器件中的损耗，因此也可用于更高的激光功率。一种可能性是从高斯光束到top hat 或 donut强度分布的空间再分布，而在焊接过程中变为top hat光束时，观察到飞溅减少。多模激光器的无损折射光束整形解决方案以光学的形式实现，将激光能量沿光轴或焦平面上的多个光斑分割成多个焦点（图1）。

图1用于光束整形的光学元件，用于创建a）沿光轴（foXXus）最多4个焦点， b）焦平面中的多个点（quat-troXX）。（来源：Leaflets by Adloptica）

使用专利光学设计的foXXus光学器件实现沿光轴的光束分裂，该光学器件采用水冷聚焦透镜或准直器的形式，提供最多四个单独的焦点F1、F2、F3、F4（图1a）。高达48毫米的透明光圈和100毫米和200毫米的焦距是工业光学的典型特征。根据内部设置，同一台foXXus设备可提供各种聚焦组合：2近焦、2远焦、4焦。对于foXXus准直器，可以通过改变聚焦透镜的焦距来改变焦点之间的距离。这是优化激光能量沿光轴分布参数的一个强大工具，尤其适用于以下实验数据。
图1b显示了使用quattroXX折射光束整形器构建用于无损分束的工业光学系统的基本方法。从光纤激光器中射出的光束首先被准直，然后使用quattroXX将其分裂成几个较小的光束，并使用透镜进一步聚焦。其结果是在聚焦透镜的焦平面上形成多点图案。可用的quattroXX点（模式）有正方形、菱形母线、直线和双点，其特点是独立点和能量部分之间的距离可变。 quattroXX光斑的所有几何图形和能量分布由分裂装置的内部设置控制，该装置允许在靠近donut或“反高斯”光斑的光斑中心以最小值或零值调整强度分布。作为一种无焦光学系统， quattroXX可以很容易地与工业加工头和带有F-theta透镜的扫描系统集成。
由于深穿透焊接过程中发生的复杂物理效应，必须研究不同梁形状对过程动力学的影响。因此，使用图1所示的光束整形光学元件，研究了多点光束整形技术对间隙桥接和飞溅的影响。

稳定的激光焊接光束整形解决方案——多焦点和多点光束，以桥接间隙和减少飞溅

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