激光光束整形和光束摆动

光束整形 Beam Shaping

我们说的激光光束整形(Beam Shaping)，常指采用光束整形透镜、镜片、微透镜或者不同形状光纤对光斑实现匀化效果。这里介绍一种新方法：来自TRUMP 的BrightLine焊接技术，采用2合1光纤（图1），它是由内芯光纤（Fiber Core）和外环光纤（Fiber Ring）组成。将两个光束叠加作用到加工区域。

图1 TRUNP的2合1光纤技术

在激光深熔焊接（Deep Penetration Process）过程中，加工微小位置的金属吸收激光热量熔化并蒸发，在微小孔底部产生高压蒸汽。蒸汽从底部喷射而出导致材料损失，也就是飞溅。整个过程类似家里烧水不断产生气泡的过程。当采用2合1整形光束时，外环光纤在微孔周边创造了一个更大区域的“缓冲区”，允许高压蒸汽逸出。外环光束有助于创建一个更稳定的深熔焊接过程。

同时，外环光束还改变了熔池金属液体的流动方向（图2）。向表面加速流动的金属熔液，在环形光束脉冲影响下，向侧面偏转。因此，在以上两个变化综合影响下，试验证明，内外光纤整 形技术可减少90%的飞溅。

图2 在内外光束作用下熔池变化

光束摆动 Beam Oscillation

光束摆动轨迹如下图所示。对于一些对碰和搭接焊接过程，由于零件之间有间隙且没有填充材料，而常规的激光焊接是沿着间隙走直线，无法有效焊接。因此，引入光束摆动（Oscillation或Wobble），直线和上下运动叠加产生螺旋线（图3），增加了熔池区域，此时金属液体填充满间隙实现焊接。采用光束摆动还有一个好处，是可以补偿零件尺寸误差，减小气孔，增加焊缝美观和焊接过程的稳定性。

图3 直线运动和上下摆动叠加轨迹

光束整形和光束摆动同时使用，可以大大提高深熔焊接工艺的稳定性，提高铝合金和高强度钢材的可焊接性，有效避免微裂纹。然而，对于某些材料，仍然存在随机微裂纹。下图4-6是6XXX系铝合金在光束整形、光束摆动，以及光束整形和摆动三种条件下的焊接效果。

图4 光束整形焊接截面微观效果

图5 光束摆动焊接截面微观效果

图6 光束整形和光束摆动焊接截面微观效果