激光束整形運用在激光焊接

時間：2022-08-06作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：171

  隨著激光焊接的不斷發(fā)展，人們對激光束整形光學(xué)器件的需求日益增加。為了實現(xiàn)高加工效率，同時保持焊接質(zhì)量。激光束整形能夠在一些應(yīng)用*幅度提高激光焊接的速度，加快激光焊接效率。

一般的激光焊接的光束整形方法是：提供一組參數(shù)，如焊接速度、激光功率、材料厚度等，就可以通過參數(shù)找到較佳的激光束形狀，使激光焊縫較均勻，沒有隆起或波紋，并在激光焊縫的**部和底部實現(xiàn)完全焊接。

常用的激光束整形焊接的形狀有以下幾種：

M shaper，M形激光束整形：

由于高斯光束中心功率大，邊緣功率小。因此導(dǎo)致中心溫度比邊緣溫度高，用于激光傳導(dǎo)焊接時受熱不均勻，*產(chǎn)生雜質(zhì)和隆起等缺陷。

M 形或環(huán)形點組合能使激光傳導(dǎo)焊接應(yīng)用變成理想的形態(tài)，因為它在熔池中產(chǎn)生較均勻的熱分布，熱量從環(huán)向內(nèi)和點向外擴散，使得中心溫度與邊緣溫度相差不多，保持環(huán)內(nèi)熱量均勻，可以有效地減少激光束整形焊接的雜質(zhì)和隆起等缺陷。

C– 形狀：

C 形激光束不是封閉的形狀，就像c有個缺口，就是這個缺口可以讓氣泡和其他焊接缺陷有序地釋放出去，使各個方向上均勻分布能量。因此，C 型激光束焊機能夠提高激光焊接強度。但需要相對于激光焊接方向進行定向，因此較適用于激光線焊接或低速激光接。 

點環(huán)形光斑組合（Flexi-shaper）：

在使用高斯光束進行高速激光焊接時，經(jīng)常會發(fā)生一些不好的現(xiàn)象，比如說駝峰。形成駝峰的主要原因是激光焊接通過后熔融金屬沒辦法通過物體較冷的表面，從而導(dǎo)致熔融金屬冷卻形成一個類似駝峰的接縫表面。為了解決這個問題，可以在激光焊接前用由環(huán)形光斑和中心點光斑組合而成的光束來對表面進行預(yù)加熱和后加熱，使得激光焊接前后，表面一直保持較高的溫度，讓熔融金屬能通過較冷表面從而較好地潤濕和消除隆起。這可以通過 flexi-shaper 模塊來完成，該模板需要為環(huán)和光斑組合的激光束整形應(yīng)用提供了一種解決方案。柔性整形器可以調(diào)整光斑和環(huán)之間的能量分布，以實現(xiàn)每個過程的較佳激光束形狀。




在 Blackbird Robotersysteme GmbH（黑鳥機器人系統(tǒng)有限公司） 進行的工藝測試中，使用了 flexi-shaper，通過制定環(huán)形光斑分布與高斯激光束形狀的較大可能相比，將激光焊接速度提高了 40%。使用 flexi-shaper 激光光束整形器解決方案的結(jié)果如圖 2,3 所示。



通過相對于彼此旋轉(zhuǎn) DOE 板來改變強度分布

光束整形還可用于激光焊接過程的監(jiān)測和控制。對于激光焊接中使用的多千瓦激光器，通常很難同時對主光束功率進行采樣并獲得光束輪廓。這時就需要相機了，因為與高功率激光功率計相比，相機通常具有較高的靈敏度（和較低的 LDT）。相機可以通過使用單個衍射采樣器來監(jiān)控。衍射激光束采樣器是一種衍射光學(xué)元件 (DOE)，設(shè)計用于分裂與主光束相同的子光束，具有預(yù)定的小部分功率，單個衍射分束器可以將激光分成任意束所需的光束，方便我們觀察，例如 0.2%。主光束功率可以使用高功率激光功率計直接從樣本前向順序采樣，而反射采樣順序（與前向順序相比，衰減另一個約 100 倍）可以與相機一起使用以監(jiān)控光束輪廓。

在 70 m/min 和 820 W 下，不帶和帶環(huán)形光束整形的試焊結(jié)果比較。使用環(huán)形模式光束整形獲得了較高激光焊接接縫質(zhì)量。圖片由黑鳥機器人系統(tǒng)提供

HOLO/OR 的較新創(chuàng)新發(fā)展，使零級和周圍的同心環(huán)之間的功率比的全范圍可調(diào)分配，與 HOLO/OR 的姐妹公司 SCANLAB 和 BLACKBIRD 合作進行了驗證，并證明提高了焊接速度從45米/分鐘到70米/分鐘！

可調(diào)式激光束整形器的概念

可調(diào)式激光光束整形器的概念是由 HOLO/OR 公司**提出的，該公司利用單個被動式衍射光學(xué)元件設(shè)計了一種半動態(tài)光束整形器。

這個概念表明，一個單獨的 DOE 可以被分成不同整形功能區(qū)域，每個功能區(qū)域都設(shè)計成產(chǎn)生不同的光學(xué)整形效果，因此，當旋轉(zhuǎn)、安裝在移動的平臺上或與光束控制裝置結(jié)合時，對于需要使用復(fù)雜昂貴的激光器或需要動態(tài)光束成形器的系統(tǒng)和應(yīng)用，單被動DOE往往可以提供一種穩(wěn)健且易于集成的光學(xué)解決方案。

其中一個應(yīng)用是高速激光焊接。由于高功率激光器的價格越來越低，功率實際上不再是限制激光焊接速度的因素，而是以**些無關(guān)緊要的物理現(xiàn)象，例如駝峰和咬邊。這些現(xiàn)象成為限制激光焊接速度的主要因素。

這些現(xiàn)象對焊接速度的限制可以通過使用由光束整形器產(chǎn)生的剪裁分布來繞過，例如一個帶有中心點的環(huán)，環(huán)和光點之間的功率比是可控的，動態(tài)變化的。

雖然這樣的分布可以通過一個動態(tài)的束流整形器來實現(xiàn)，但是這種器件的 LDT 通常不適用于高功率應(yīng)用，因此，高LDT、無源組件(如DOE)是可以選擇。然而，流程開發(fā)中對可調(diào)性的需求經(jīng)常對 DOE 的使用構(gòu)成挑戰(zhàn)，但是Flexishaper 模塊解決了這一挑戰(zhàn)。




Flexishaper全范圍環(huán)點可調(diào)功率比模塊

環(huán)斑可調(diào)激光束成型機概念在子孔徑的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，并于2021年5月作為Flexishaper模塊發(fā)布。Flexishaper 模塊由兩個相同的光束整形器 DOEs 組成。當相互旋轉(zhuǎn)時，輸出功率分布從零級功率的**連續(xù)過渡到同心環(huán)功率的80%，而零級功率幾乎為0%。由于該器件是一種全光束整形器，沒有子孔徑限幅效應(yīng)，適用于單模和多模激光光束，光斑質(zhì)量沒有任何下降。

該裝置已由 HOLO/OR 的姊妹公司 BLACKBIRD 與 SCANLAB 的3d 掃描系統(tǒng)一起投入試驗安裝，并證明克服了燃料電池高速箔焊接中的駝峰和咬邊問題，使小于1kw 的單模激光焊接速度提高了50% 以上，從而為高要求的光束整形應(yīng)用提供了一個經(jīng)濟有效的解決方案。







上圖: 高斯光點在高速箔焊接時引起的嚴重駝峰效應(yīng)；

下圖: 高斯光點在高速箔焊接時產(chǎn)生的無駝峰效應(yīng)的清潔焊縫，經(jīng)過 flexshaper 集成后，以相同的功率和速度產(chǎn)生的駝峰效應(yīng)。圖片來源: BLACKBIRD。

Flexishaper 是為流程開發(fā)人員設(shè)計的模塊。它使工藝開發(fā)人員能夠找到較佳工作比的功率分布之間的中心點和周圍環(huán)的具體工藝。一旦這個比率被確定，HOLO/OR 可以產(chǎn)生一個單一的自定義 DOE 將產(chǎn)生特定的較佳功率比，為一個較具成本效益和較*集成到較終系統(tǒng)的解決方案，完全不需要移動部件，因此沒有故障點。Flexishaper DOEs采用純?nèi)廴谑⒉牧现瞥?，具有高激光損傷閾值和高的傳輸效率，可根據(jù)客戶要求定制大光束（2”光學(xué)元件） ，通常用于多千瓦激光系統(tǒng)。

激光束整形焊接常見問題為什么激光焊接和激光束整形應(yīng)用需要激光束整形？

對于激光焊接，在嘗試較高的焊接速度時可能會出現(xiàn)許多不良現(xiàn)象，例如。當使用定制形狀的激光束加工時，這些不良現(xiàn)象可以通過激光束整形改良，并且可以實現(xiàn)較均勻的焊接。

激光焊接的激光束整形光斑通常采用哪些形狀？

較常見的形狀如 M 形、C 形或點環(huán)形光斑組合用于激光焊接。

激光光束整形還能實現(xiàn)哪些其他功能？

激光束整形可用于衍射光束采樣器、任何其他需要平**功率分布或任何其他定制激光束功率分布的激光束整形應(yīng)用。

什么是 flexishaper？

Flexishaker 是一種由兩個衍射光學(xué)元件組合而成的光學(xué)裝置，它能夠?qū)⑷魏屋斎牍馐?/span>SM 或 MM）在中心光斑模式之間以連續(xù)的全范圍的功率分布改變?yōu)橹車耐膱A環(huán)。

Flexishaker 是動態(tài)光束整形器嗎？

不，flexishaker 不是一個動態(tài)的波束整形器。Flexishaper是一種被動式衍射光學(xué)器件，由于其*特的設(shè)計，使得可調(diào)整的激光束整形功能具有被動元件固有的可制造性和穩(wěn)定性優(yōu)點。

為什么我們需要光束整形器？

激光光束整形器在激光系統(tǒng)中越來越普遍，因為近年來激光每瓦成本大大降低，在許多系統(tǒng)中功率不再是限制因素。激光光束整形器，例如高斯到**帽光束整形器和多光束分束器，使系統(tǒng)集成商和工藝開發(fā)人員能夠優(yōu)化他們對現(xiàn)有功率的使用。






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