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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光斑實現(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，外環(huán)光纖在微孔周邊創(chuàng)造了一個更大區(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)建一個更穩(wěn)定的深熔焊接過程。

同時，外環(huán)光束還改變了熔池金屬液體的流動方向（圖2）。向表面加速流動的金屬熔液，在環(huán)形光束脈沖影響下，向側(cè)面偏轉(zhuǎn)。因此，在以上兩個變化綜合影響下，試驗證明，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 Beam Oscillation

光束擺動軌跡如下圖所示。對于一些對碰和搭接焊接過程，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（Oscillation或Wobble），直線和上下運動疊加產(chǎn)生螺旋線（圖3），增加了熔池區(qū)域，此時金屬液體填充滿間隙實現(xiàn)焊接。采用光束擺動還有一個好處，是可以補償零件尺寸誤差，減小氣孔，增加焊縫美觀和焊接過程的穩(wěn)定性。

圖3 直線運動和上下擺動疊加軌跡

光束整形和光束擺動同時使用，可以大大提高深熔焊接工藝的穩(wěn)定性，提高鋁合金和高強度鋼材的可焊接性，有效避免微裂紋。然而，對于某些材料，仍然存在隨機微裂紋。下圖4-6是6XXX系鋁合金在光束整形、光束擺動，以及光束整形和擺動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 光束擺動焊接截面微觀效果

圖6 光束整形和光束擺動焊接截面微觀效果