激光焊接技術(shù)憑借其熱影響區(qū)小、非接觸加工、效率高等優(yōu)勢，已成為新能源、電子制造、航空航天等領域的核心工藝。然而，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性受設備性能、工藝參數(shù)、材料特性及環(huán)境控制等多重因素影響。激光焊接質(zhì)量提升是一個系統(tǒng)工程，需從設備精度、工藝控制、材料適配到環(huán)境管理全鏈條協(xié)同優(yōu)化。隨著AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合，激光焊接正向智能化、綠色化方向演進，為高端制造提供更可靠的連接解決方案。激光光束是激光技術(shù)中核心的能量傳輸形式，具有高度定向性、單色性、相干性和高能量密度等獨特特性，在科研、工業(yè)、醫(yī)療、通信等領域有廣泛應用。而光束質(zhì)量是激光光束特性的核心參數(shù)之一。人們通常用“高方向性、高亮度、高相干性”等詞匯來概括激光光束的特征，與激光的線寬在一定程度上決定了激光的時間相干性、激光的功率與激光的亮度高度正相關(guān)類似，激光的光束質(zhì)量與激光的方向性密切相關(guān)。通常，我們會將光束質(zhì)量簡單地理解為表征激光束聚焦程度的一個參數(shù)。量化光束質(zhì)量的最常見方法是：光束參數(shù)乘積（BPP），即光束束腰處的光束半徑與遠場光束發(fā)散角的乘積；M2因子，定義為光束參數(shù)乘積除以具有相同波長的衍射受限高斯光束的相應乘積。BPP或M2因子的低值意味著高光束質(zhì)量。高光束質(zhì)量意味著平滑的波前（即橫過光束輪廓的強相位相關(guān)性），因此用透鏡聚焦光束允許人們獲得波前為平面的焦點。加擾波前使光束聚焦更加困難，即給定光斑尺寸的光束發(fā)散增加。量化光束質(zhì)量，無論是光束參數(shù)積（BPP），還是光束質(zhì)量因子(M2)，這些量化值通過簡單計算都能相互直接轉(zhuǎn)換。光束參數(shù)積是θ0和ω0的乘積，在整個激光傳輸區(qū)域守恒。例如，通過安裝透鏡或擴束鏡來改變光束直徑，將會影響光束的發(fā)散角。因此，光束參數(shù)積用來衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔徑效應的光學系統(tǒng)時才會影響外光路的光束參數(shù)積。下面，我們將從激光光束的能量特性與激光焊接質(zhì)量的影響，光束的焦點位置對激光焊接質(zhì)量的影響兩個方面來進行詳細解析。激光束的能量特性包括光束的功率與功率密度、連續(xù)/脈沖輸出和激光束的偏振等。對于激光焊接， 普遍認為焊接深度基本上與激光功率成線性關(guān)系。激光焊接中，起主要作用的是激光功率密度值，這是由于不同的材料都有一個臨界功率密度閾值，只有激光焦點的功率密度值超過這個閾值，才能形成“小孔效應”，獲得深熔焊接，因為金屬材料對于波長10.6微米的CO?激光束是強烈反射的，只有形成了小孔效應，材料對激光束的吸收機理才能由金屬表面吸收變?yōu)樾】孜?，提高材料對激光束的吸收率。目前對激光焊接的計算主要集中于溫度場的穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)解析解，這種方法可以獲得溫度場分布的近似解，隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展，有限元在模擬激光焊接結(jié)果的應用上也越來越廣泛。光束的焦點特性包括焦點的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光焊接中，焦點附近的光斑尺寸變化較大，不同的焦點位置將使作用在材料表面的激光功率密度變化很大，從而對焊縫質(zhì)量的影響很大。通過實驗研究了不同焦點位置對不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響，當焦點為負離焦1～2mm時，焊接效果最好，負離焦比正離焦的焊接效果好。通過采用不同焦距聚焦鏡進行了激光焊接實驗，如圖1所示，可見負離焦比正離焦更易獲得較大熔深，負離焦1mm左右熔深最大（圖1中負值表示焦點在工件表面下方，稱為負離焦）。Miyamoto和Arata等人通過研究發(fā)現(xiàn)，焦點位置的變化將引起焊縫的突變現(xiàn)象，認為焊縫的突變是由于焦點位置變化到一定的位置，到達工件表面的光束尺寸變大，功率密度下降，小于閾值功率密度，不能使材料表面蒸發(fā)。同時在不銹鋼上進行了工件距透鏡距離與透鏡焦距的比值對焊縫熔深、熔寬以及焊縫截面積的影響研究，結(jié)果表明負離焦的焊接效果好于正離焦。在激光材料加工的實際應用中，為了獲得高能量密度，都要將激光束進行聚焦。圖2所示為采用同一個聚焦鏡，聚焦得到的焦斑大小?？梢钥闯?，光束質(zhì)量越好，得到的聚焦焦斑越??；當需要獲得相同大小的焦斑時，光束質(zhì)量越好，可采用的聚焦鏡的焦距越長（如圖3）。遠程激光焊接（Remote LaserWelding，RLW）的實現(xiàn)就是體現(xiàn)激光束良好的聚焦特性的一個例子。RLW 將光束聚焦到2.5m遠的距離，通過振鏡的精確轉(zhuǎn)動形成掃描激光束，使激光深熔焊接過程在更大面積和更遠的距離完成，這種良好的聚焦特性正是由于激光束的高光束質(zhì)量決定的。圖2：焦距相同時，光束質(zhì)量與焦斑大小的關(guān)系圖3：焦斑大小相同時，光束質(zhì)量與焦距的關(guān)系光研科技自研的激光光斑分析儀是性能卓越、功能全面的光學測量設備，在科研與工業(yè)領域具有顯著優(yōu)勢，改產(chǎn)品為客戶提供定制光束質(zhì)量分析一體化設計解決方案，并支持多應用開發(fā)。通過光束分析裝置一體化設計，配套衰減方案設計，支持實時曝光及增益調(diào)節(jié)。可根據(jù)客戶不同需求進行模塊化定制，適用于工業(yè)激光，光纖通訊、顯示面板、打標焊接、3D 打印、半導體，激光傳感等領域。目前已作為成熟產(chǎn)品在市場推廣，性價比高，得到多個行業(yè)的客戶廣泛認同。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導讀
關(guān)注我們
