激光焊接中点环形光斑整形的优势

激光的焊接速度可以通过使用点高斯环形激光能量分布来进行调节，通过可调点环形光斑能量的过程来实现点环形激光焊接效果，从而在焊接的速度和效果上得到提升。Holoor提出了一个新颖而简单的基于激光衍射的概念，以实现标准光纤激光器的点环形光斑整形。这种基于DOE的高斯环形激光整形方法仅有两个DOE镜片组成，使用方便，能够精确控制点、环光斑之间的能量比例，帮助用户快速找到优化的焊接效果。该模块可在中心光斑100%的能量和中心光斑无能量之间旋转调节，可与单模和多模激光器一起工作，高度紧凑（不到20毫米长），并具有无源衍射元件的高激光诱导损伤阈值（Laser-induced damage threshold，LDT）。这一概念避免了对特殊高斯环形激光光纤激光器的需求，使焊接激光头的设计更加简单。

激光焊接是在汽车、造船、电池组和其他行业的许多工业过程中广泛使用的一种技术，其中焊接速度成为了许多激光焊接应用中最关键的工艺限制因素之一。激光的高焊接速度会受到焊接过程中的各种物理现象的限制，如飞溅、驼峰和焊接孔隙率的增加。对于这些焊接过程的限制现象，当使用点环形激光焊接方法，这些现象会大大减少。对于不同焊接材料的工艺参数（如金属厚度、金属类型和几何形状），点环形激光焊接需要不同的可调点环形能量比率，这样才能在高焊接速度下提供最佳工艺。因此，对许多光学系统来说，一个可控的、可调整的光束功率整形的解决方案是一个比较有优势的。

图1 两个DOE间不同的相对旋转方向和对应的强度分布

如图1，Holoor的点环形光斑整形方案，上行显示了两个DOE的三种相对个位置（a、b 和 c）：两个DOE相对旋转角度分别为0、7.5和15度。下行显示了与上行中每个旋转方向相关的强度分布：(d)中所有功率都集中在中心点，(f)中所有功率都集中在环，而（e）是一个可调点环形能量比例分布的位置，其中一些能量的一部分在中心点，另一部分在周围的环。

在高斯环形激光整形上，基于光纤的可调点环形光斑能量比例的方案上，目前较为常见的方法是点环形光斑整形的方法是使用特殊的多模光纤激光器，它有一个双芯或三芯，中心芯被一个或两个并发的环形芯所包围，每个核心可以单独设置其激光功率，从而使中央光斑与周围的环形光斑的功率可调。其与普通的多模高功率光纤激光器相比，这种激光系统具有更高的复杂性和成本。其次，这种高斯环形激光整形光纤的高数值孔径（Numerical Aperture，NA）意味着需要使用特殊的准直器，与目前使用的光纤激光器的标准焊接光学器件相比，往往需要更大的光学器件。最后，中心光斑和环形光斑之间的比例往往有一个限制。在点环形激光焊接中，为了在焊点上获得更多的功率，一般需要增加环内的功率，大部分功率进入中央光斑，只有一小部分进入环形光斑，所以这种情况并不能使用全激光功率，除非使用定制的光纤芯比例。

Holoor描述了一种基于光纤高斯环形激光整形的点环形光斑的替代方法，达到点环形激光焊接效果，可以完全地进行功率比的调整，同时也是一个简单、经济和直接的光学系统。该方法以衍射光学为基础，已经为多千瓦光纤激光器的激光系统提供了一个很好的解决系统空间大小方案，克服了在光学系统上增加另一个组件的劣势。

衍射整形方案由两个相同衍射元件DOE组成，也称为相位板，置于同一光轴上。通过旋转其中一块相位板与另一块相位板，可以得到环形和中心点之间的相位延迟。在相位板之间旋转为零和全段之间的状态下，总相位在部分重叠的情况，如图1b所示，导致部分能量进入环形，而其余的能量则进入中心点，其比例可以连续调整。

点环形光斑能量的整体传输效率不断变化，从单独的中心点的100%，到单独的环的80 %。效率损失到更高的衍射传输阶数，并在更高的角度上以二级环出现。整个变化范围发生在一个旋转角度上，等于一个角段。中心点的功率变化如图2所示，与旋转角度呈非线性关系。

图2点环光斑的相对功率与两个DOE之间相对旋转角度的函数关系图

可调点环形光斑能量在点环形激光焊接过程中的优化是比较重要的，一旦确定了工艺参数，可调节的环形和点状整形模块就可以被一个单一的无源DOE所取代，其定制的环形-点状功率比被认为是特定焊接工艺的最佳选择，这就提供了一个更加紧凑和经济的整形解决方案。这一类基于基于DOE衍射的方法与目前市场上基于光纤的解决方案相比，它能对点环形光斑之间的功率比例进行全范围控制，而不像基于光纤的解决方案具有更有限的可调性。这个模块可以适用于通常用于多千瓦激光器的大光束（直径15-22毫米），即光学元件可以安装到现成的手动或电动旋转支架上，形成一个光学模块。这样的模块可以放在激光准直器之后的光轴上，甚至更好的是直接放在激光头或扫描系统的入口处。这些配置使焊接光学器件与标准多模光纤激光器使用的光学器件保持一致，而不需要像环模光纤激光器那样考虑更大的NA和所需的更大、更昂贵的光学器件。全范围的调整只需要通过机动旋转台几秒钟的调而完成可调点环形光斑能量比例的调整。另外，对于使用单模入射光束的微焊接特别有用，因为限制加工速度的因素往往不是单模光纤的功率，而是驼峰、多孔性和其他问题，通过将部分激光功率转移到光斑周围的环形区域，可以减少这些问题。还有，其衍射解决方案的环角对输入光束的大小不敏感，为整形提供了更多的灵活性。所以基于衍射的点环形光斑整形模式为激光焊接提供了多种好处，同时简单、低成本、坚固。