动态光束整形在材料加工的应用

　　在从家用电器到汽车零部件等广泛产品的开发过程中，博世（Bosch）研究并运用了最新的生产技术。例如在激光材料加工领域，多年来激光材料加工已成为博世生产库中的众多工具之一。

　　2021 年该公司宣布与欧洲光电子协会LAMpAS 合作开发一种激光系统，该系统能够构造金属表面，使其具有抗菌、防水和防油脂的特性。这项工作可能会使未来的家用电器可以长时间地保持清洁。

　　博世研究院联合技术首席专家及激光材料加工组经理 Reiner Ramsayer 博士表示，我们有很多依赖于激光材料处理的应用，并希望在出现最新技术时采用这些技术。多年来，我们看到了激光在光束质量和功率方面都在不断增加。随着创新光学技术的发展和新波长的出现，例如在铜加工光谱的可见光（蓝光和绿光）部分，可以利用这些不断发展的技术开发新工艺。

　　因此，接下来就是有关于“激光材料加工的下一步” 的问题。

　　光束整形带来的新机遇

　　根据Ramsayer 的说法，答案是能够在加工过程中改变激光束的轮廓和参数，而无需改变光学元件。在他看来，为了进一步优化工艺，光束整形是一个成熟的参数领域，因为目前99% 的激光工艺使用高斯或顶帽轮廓的单圆光束。

　　虽然在过去的3-4 年中，用于可调节光束质量的激光器的“环形”技术的出现，但实际的光束整形功能非常有限。此类系统无法让用户获得所需的任何光束形状，并且它们提供的形状可能是相当静态的。虽然可以更改环和核心区域的功率，但这里的困难在于调节时非常不方便。

　　这就是为什么博世公司开始与以色列公司Civan Laser 的动态光束激光器（DBLs）合作，使用相干光束合成技术。在这里，许多不同相位的光束被重叠，以在高达兆赫频率和高功率下产生不同的光束形状。这使得在焊接过程中能够完全控制键孔，从而为提高工艺质量、速度和创造全新应用开辟了新的可能性。

　　相干光束组合的概念并不新鲜，但在最近几年才适用于高功率（千瓦级）材料加工激光器。“在过去10年中，许多激光技术专家认为这是一种很好的方法，但许多人认为它不适用于功率为数十千瓦的激光器，或者它太贵了，”Ramsayer谈到，“此后，Civan公司已经克服了这些问题。他们在4-5年前就介绍了这个概念，我们认识到它在激光材料加工的下一步发展中具有巨大的潜力。它提供了一个全新的可调参数领域。”

　　掌握新技术

　　此后，Civan公司将该技术应用于材料加工并发布了它和博世研究院共同试验的系统。Ramsayer表示，现在我们正处于大量研究的阶段，以增加对工艺基础的理解，确定不同光束形状和其他参数（如激光功率、焊接深度、材料类型等）之间的关系。这将使我们能够确定哪些光束形状可用于，例如影响某些材料的焊接速度而不会引起额外缺陷，如气孔或开裂。

　　Ramsayer进一步指出，这正是我们在博世研究团队所做的：采用新兴技术并确定它们未来的用途。在这项工作中，公司将探索全新的想法，了解新的动态光束激光器技术可以做什么。虽然用户可以使用可调节光束质量激光器进行很多工艺，但毫无疑问的是DBL将为未来的工艺设计创造很大的自由度。

　　Civan相干光束合成技术的另一个优点是，能够在大工作距离内实现小光斑尺寸。Ramsayer解释说：“目前，如果你想在工件上获得较小的光斑尺寸，光学元件必须非常靠近你的零件，然而通过这项技术可以增加加工距离，使你能够用扫描仪覆盖更大的工作区域。这对于提高远程焊接速度或在相同速度下提高远程焊接质量非常重要，这将使未来能够更可靠和高效地生产大量产品成为可能。”

　　这就是为什么在Ramsayer看来，高频动态光束整形是激光材料加工下一步的真实原因。虽然它肯定不会适用于博世产品加工的所有流程，但他相信会发现许多有益的应用实例。当前，博世对这项技术非常感兴趣。

　　让它发挥作用

　　然而为了将DBL投入生产，博世仍需要对如何利用DBL影响工艺进行更多的基础研究。“一旦我们实现了这一目标，我们就可以找到它的应用程序，”Ramsayer肯定地说，“我们当然会考虑应用，例如用于未来车辆的燃料电池、电力驱动和电力电子产品的生产，因此我们可能会从这些领域开始，然后找到其他同样有益的工艺。”

　　虽然Civan的DBL可以实现其他激光器的光束形状，但目前需要昂贵的专业光学元件来实现这一点。即使这样也无法在加工过程中调整光束形状。Ramsayer谈到，因此，DBL技术的创新之处在于，可以在高频下产生大量的光束形状而无需改变光学元件。如果需要在单个零件上进行不同的焊接或快速连续地在多个零件上进行不同的焊接，这项技术将会非常实用。

　　博世研究院预计，DBL技术将特别适用于电动汽车领域，并将分别用于动力电池和燃料电池的发夹、母线和双极电堆焊接。Ramsayer说，这些都需要进行大量高质量、长距离的焊接，而且由于电动汽车的行业特性，所有这些都有很高的成本压力。这项技术应使我们能够加快此类零件的生产，同时使其更小和更好。

　　Ramsayer继续说道，激光被视为电动汽车生产中的一项重要技术，但焊缝的质量和再现性必须比目前的水平有所提高。虽然今天，我们调整了目前所有可用的参数来实现这一目标，如焊接速度、激光功率、聚焦直径等，但仍然无法轻松地改变过程中的光束轮廓，高频动态光束成形可用于提高工艺质量和速度，最终使企业能够以更低的价格为客户提供更好的产品。

　　对于激光焊接而言，动态光束激光器（DBL）的问世既改变了游戏规则，又对新产品的需求和新的工艺方法创造了机会。动态光束激光器有以下几个优点：DBL可以使用简单的软件设计成任何形状，而不仅仅是传统的热循环。无论需要加热的区域大小或形状如何，都可以根据需要定制激光器。例如当焊接异种金属时，DBL允许使用两个同时移动的激光点（如厨房搅拌器的移动），以提供所需的均匀焊接。

　　DBL的动态特性意味着可以设计和创建一系列形状，使激光束相对于进给方向跟随，从而提供全新的灵活性。例如，与使用适合所有待焊接材料所需的最低性能不同，可以对激光进行编程，使其在穿过层和材料变化时从一种光束形状改变为另一种光束形状。然后在每一层对过程进行优化。

　　束流形状频率可以在过程中从400Hz调整到500Mhz，以更好地控制小孔和熔池。激光形成形状的速度决定了焊缝的特性，非最佳频率可能导致飞溅。通过动态改变速度，操作员可以减少甚至消除飞溅的风险。如果标准激光器的焦距较短，导致大部分热量集中在一个点上，DBL允许在过程中随时移动焦点位置，确保焊接更加一致。