激光头(基于MPLC的激光头的研制——激光束焊接中光束整形技术的研究进展)

Posted 2023-06-01

篇首语：怀抱观古今，寝食展戏谑。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了激光头(基于MPLC的激光头的研制——激光束焊接中光束整形技术的研究进展)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

激光头(基于MPLC的激光头的研制——激光束焊接中光束整形技术的研究进展)

江苏激光联盟陈长军导读：

光束整形在激光材料加工中的应用已经证明了它的优点。它用于激光束焊接，以优化零件上的能量输入，从而提高质量和成品率。一种采用多平面光转换（MPLC）光束成形技术的激光头已经开发出来，专门用于钢焊接。这种激光头的性能为激光电弧混合焊接或铜等材料的焊接新技术的发展铺平了道路。

近年来，多千瓦连续波激光光源的可用性大大增加。光纤或磁盘激光器现在可以在功率超过20kW的情况下进行激光处理。在激光焊接的情况下，它实现了更大的能力、潜在的更深的穿透力和更高的速度。但这种强大的力量也带来了两个新的挑战。首先，焊接质量必须得到保证，其次，向零件输送激光的光学系统，如焊接头，必须能够处理激光。光束整形是迎接挑战的一种方法。通常，对于钢，环形梁形状已证明焊接工艺有所改进。

双芯光纤就是这样一种技术，它通过产生环形来填补这一缺陷。然而，这种技术通常与具有将光束聚焦到加工平面上的作用的折射激光头相结合。这些折射光学系统面临着第二个挑战：当激光器在高功率下使用时，它们会发热，其光学特性会发生变化，并导致焦距偏移或热透镜等不必要的现象。因此，为了解决这两个难题，开发了一种采用多平面光转换光束整形技术的反射式焊接头。

反射式焊接头中MPLC的实现

MPLC是一种获得专利的光束整形技术，可控制光的振幅和相位。它由一系列相位分布组成，类似于高度复杂的透镜，由特定的传播距离隔开。在实践中，它可以以反射和被动的方式实现，即光在由反射相位板和反射镜组成的腔体中来回传播。该技术允许生成任何波束形状和波束组合。

事实上，基于MPLC的焊接头设计用于形成环形梁轮廓，内径为600µm，外径为1000µm。该技术提供了高质量的光束整形，其强度均匀性等于环平均直径的10%RMS。这一点非常重要，因为环形在焊接过程中有助于包围和加宽锁孔。任何强度的不均匀性都可能引起匙孔的不稳定性。（图1）

图1环形平均直径周围的强度均匀性

此外，使用Primes系统测量了产生光束的景深。相对于最佳焦平面，环形形状在±3 mm范围内保持不变，这与双芯光纤激光器等其他成型方法相比是独特的。这使得系统对过程变化不那么敏感。还对基于MPLC的激光头在高功率下的光学性能进行了评估。在16kW（用于进行这些测试的激光器的最大功率）下，系统传输的测量值为99%。此外，还使用了一个光束表来评估激光头在15分钟内不同功率下的焦点偏移。无论功率如何，在一分钟后测量到最大1 mm的焦距偏移，这与集成在焊接头中的冷却系统冷却光学元件所需的稳定时间相对应。与标准折射激光头相比，这是一个巨大的改进，标准折射激光头会产生厘米量级的焦点偏移。这种高功率下的良好性能归功于MPLC的反射式实现，它允许在光学元件的背面进行均匀高效的冷却。（图2）

图2在8kW时，焦距随时间（秒）的变化（单位：µm）

进程和结果

焊接测试是在Cailabs的合作伙伴Maupertuis研究所进行的，基于MPLC的激光头通过其集成的LLK-D连接器连接到Trumpf TruDisk 16002。它安装在一个6轴机械臂上，并与一个保护气体系统相结合。在6 mm厚的304L不锈钢板上进行了全熔透和对接焊接。

激光功率的第一个参数优化表明，7 kW是实现无氧化全穿透的最佳功率（6 kW太低，无法确保全穿透；8 kW产生氧化）。其他固定参数包括焊接速度（1 m/min）和焦点（上表面下方2 mm；图3）

图3焊点位置对焊接过程影响的评估。

然后，在7kW的最佳功率和1m/分钟的焊接速度下评估焦点变化的影响。焦点从表面上方1mm到表面下方5mm，实现了全熔透。这证实了之前在景深上测量的非常好的性能，因为完全穿透是在焦点变化幅度为6 mm的情况下完成的，与景深相对应。

因此，根据NF EN 13919-1标准，使用最佳参数可获得非常高质量的焊道。它的宽度大而规则，这标志着质量好。此外，在相同的功率、焊接速度和焦点位置下，将其与使用经典不定型光束和双芯光纤系统进行的焊接进行了比较。使用双芯光纤，测试了两种配置：第一种是单环形状（内径0.3 mm，外径1.05 mm），环内能量为100%；第二个是环形，内部有一个斑点。

使用MPLC激光头（5mm）获得了最宽的焊道，与传统焊点相比增加了25%，与双芯光纤的环形相比甚至超过了50%。与双芯光纤形成的两种形状相比，焊缝的形状也更规则、更平滑。最后，重要的是要注意飞溅的大幅减少，尤其是当比较基于MPLC的激光头和双芯光纤制成的两种环形时。综上所述，基于MPLC的焊头能够提高焊道质量，同时减少飞溅等缺陷。（图4）

图4使用基于MPLC的激光头与双芯光纤和经典焊点进行焊接试验的比较。

该焊头设计用于特定的激光光源:Trumpf TruDisk 16002。Trumpf TruDisk 16002具有特定的特性(波长:1030 nm，数值孔径:0.10，光束参数产品:8 mm·mrad，输入光纤直径:200 μ m)和特定模式内容。如前所示，基于MPLC的激光头生成具有特定尺寸（平均直径800µm，厚度200µm）的环形。

研究了非标称条件下激光头的可用性，以及它对加工平面内光束形状的影响。对该行业不同激光源的模态内容进行了数值模拟，并使用Python程序模拟了基于MPLC的激光头的输出。模拟的激光器有Trumpf TruDisk 8001、Coherent-Rofin FL8000和IPG YLS 30000(这些激光器的规格见表1)。它们的光学特性截然不同，输入光纤直径和BPP不同，Coherent-Rofin FL8000的数值孔径更大。

表1研究了激光规格。

模拟结果表明，激光头产生环形轮廓，与标称条件相比尺寸略有变化。虽然环的平均直径保持不变，但厚度会发生变化。随着Trumpf TruDisk 8001（150µm）和FL8000（130µm）的使用，厚度会降低，而使用YLS 30000（300µm）时，厚度会增加。尽管存在这些变化，但值得注意的是，无论采用何种激光，基于MPLC的焊接头都能保持良好的最终环形形状。本研究为使用这些不同来源的过程导向测试铺平了道路。具体来说，IPG激光的测试活动计划在未来几个月进行。(图5)

图5基于MPLC的激光头在不同激光源下使用的仿真结果。

未来发展方向:激光-电弧焊混合焊接自生激光焊接非常适合于实现零件间无间隙对接焊接或搭接焊接。然而，在工业中，有时需要制造其他类型的装配。例如，在对接焊接的情况下，两部分之间的间隙距离不可能总是有足够小的公差。激光-电弧混合焊接可以满足这些需求，它结合了这两种技术的优点。激光提供深度熔透，而弧焊能够处理间隙公差，特别是使用填充金属时。从理论上讲，每一种弧焊技术都是兼容的，但MIG/ MAG和TIG是应用最广泛的。这种混合技术在汽车行业尤其有用，因为它提供了潜在的高焊接速度，以匹配该行业的大批量目标，并且装配公差更大。其他行业，如造船或铁路运输，也可以受益于这项技术。

使用基于MPLC的激光头进行光束整形可以为混合焊接带来更多优势。首先，该工艺将受益于环形带来的优势，即扩大和稳定锁孔。此外，如前所述，没有焦点转移肯定是一个好处。在焊接过程中，电弧焊头和零件之间的距离必须保持恒定，因为电极必须靠近零件才能持续产生电弧。在混合焊接的情况下，激光焦点偏移的存在可能会面临这种限制，导致激光不能聚焦在焊接平面上，从而导致焊接过程非最优。因此，基于MPLC的激光头在无焦移和大景深的情况下似乎非常适合混合焊接。

下一个挑战：铜焊接

除了满足钢材激光焊接的需要外，MPLC技术还可以应用于其他材料。其中之一是铜，由充满活力的电动交通市场推动。事实上，随着电动汽车中电子元件和电池的使用日益增加，焊接这类材料的需求正在迅速增加。但由于其高导热性、低粘度和近红外吸收低的物理特性，焊接这类材料是一种技术难题。前两种性质导致不稳定的熔池行为，从而导致不稳定的过程，并出现缺陷，如飞溅或不规则的焊缝。

第三个特性将激光群体划分开来，因为蓝色和绿色波长的激光更容易被铜吸收，但这些波长的光源不太常见，也更节能，而且比近红外光源更昂贵。

在这里，MPLC技术在光束整形方面的能力可以解决其中一些问题，尤其是在近红外激光器方面。可用于铜焊接的典型光束形状由一个中心密集点组成，周围环绕着一个强度较低的环。除了如前所述稳定锁孔外，它还允许对零件进行预热，从而在激光穿透前增加材料的吸收，这是由密集的中心点确保的（图6）。

图6适用于铜焊接的光束形状的模拟。

结论

本文展示了使用MPLC技术进行光束整形如何增强各种激光束焊接工艺。首先，它证明了在焊接头的标称条件下，能够在不锈钢上生产高质量的自动焊缝。结果与双芯光纤系统进行了比较，表明基于MPLC的激光头具有更好的性能。然后进行了一项研究，以评估该激光头在非标称条件下使用不同激光器的能力。这表明，它可以与各种来源一起使用，并且仍然可以产生环形，这对于保持良好的加工质量至关重要。最后，还强调了MPLC技术的一些发展前景，展示了其在激光-电弧混合技术和铜焊接方面的潜力。综上所述，本文展示了激光束焊接如何从高质量和多功能的光束成形技术MPLC中受益。

来源：Photonics Views - 2021 - Bayol - Development of an MPLC‐based laser head，DOI: 10.1002/phvs.202100060

江苏激光联盟陈长军原创作品！