光束整形 Beam Shaping

我們說的激光光束整形(Beam Shaping)，常指采用光束整形透鏡、鏡片、微透鏡或者不同形狀光纖對(duì)光斑實(shí)現(xiàn)勻化效果。這里介紹一種新方法：來自TRUMP 的BrightLine焊接技術(shù)，采用2合1光纖（圖1），它是由內(nèi)芯光纖（Fiber Core）和外環(huán)光纖（Fiber Ring）組成。將兩個(gè)光束疊加作用到加工區(qū)域。

圖1 TRUNP的2合1光纖技術(shù)

在激光深熔焊接（Deep Penetration Process）過程中，加工微小位置的金屬吸收激光熱量熔化并蒸發(fā)，在微小孔底部產(chǎn)生高壓蒸汽。蒸汽從底部噴射而出導(dǎo)致材料損失，也就是飛濺。整個(gè)過程類似家里燒水不斷產(chǎn)生氣泡的過程。當(dāng)采用2合1整形光束時(shí)，外環(huán)光纖在微孔周邊創(chuàng)造了一個(gè)更大區(qū)域的“緩沖區(qū)”，允許高壓蒸汽逸出。外環(huán)光束有助于創(chuàng)建一個(gè)更穩(wěn)定的深熔焊接過程。

同時(shí)，外環(huán)光束還改變了熔池金屬液體的流動(dòng)方向（圖2）。向表面加速流動(dòng)的金屬熔液，在環(huán)形光束脈沖影響下，向側(cè)面偏轉(zhuǎn)。因此，在以上兩個(gè)變化綜合影響下，試驗(yàn)證明，內(nèi)外光纖整形技術(shù)可減少90%的飛濺。

圖2 在內(nèi)外光束作用下熔池變化

光束擺動(dòng) Beam Oscillation

光束擺動(dòng)軌跡如下圖所示。對(duì)于一些對(duì)碰和搭接焊接過程，由于零件之間有間隙且沒有填充材料，而常規(guī)的激光焊接是沿著間隙走直線，無法有效焊接。因此，引入光束擺動(dòng)（Oscillation或Wobble），直線和上下運(yùn)動(dòng)疊加產(chǎn)生螺旋線（圖3），增加了熔池區(qū)域，此時(shí)金屬液體填充滿間隙實(shí)現(xiàn)焊接。采用光束擺動(dòng)還有一個(gè)好處，是可以補(bǔ)償零件尺寸誤差，減小氣孔，增加焊縫美觀和焊接過程的穩(wěn)定性。

圖3 直線運(yùn)動(dòng)和上下擺動(dòng)疊加軌跡

光束整形和光束擺動(dòng)同時(shí)使用，可以大大提高深熔焊接工藝的穩(wěn)定性，提高鋁合金和高強(qiáng)度鋼材的可焊接性，有效避免微裂紋。然而，對(duì)于某些材料，仍然存在隨機(jī)微裂紋。下圖4-6是6XXX系鋁合金在光束整形、光束擺動(dòng)，以及光束整形和擺動(dòng)三種條件下的焊接效果。

圖4 光束整形焊接截面微觀效果

圖5 光束擺動(dòng)焊接截面微觀效果

圖6 光束整形和光束擺動(dòng)焊接截面微觀效果