汽車電氣化隻是重新定義(yi) 精密製造中大批量材料加工要求的主要趨勢之一。從(cong) 對齊和連接電池層的需要到增材金屬製造的擴展部署，再到采用新的金屬合金冷卻係統，汽車製造商們(men) 在不斷尋找滿足生產(chan) 需求的工具。

這種搜索有助於(yu) 解釋為(wei) 什麽(me) 製造商們(men) 會(hui) 越來越多地使用激光加工工具，以取代傳(chuan) 統的機械加工和熱焊接係統。與(yu) 傳(chuan) 統的熱焊接工藝相比，激光技術由於(yu) 光束的高能量而需要更少的熱量輸入。激光焊接可以最大限度地減少材料變形的可能性，同時最大限度地提高產(chan) 量。

所有焊接方法都涉及到熔池形成和隨後的快速凝固，這會(hui) 改變焊接金屬的性能和微觀結構。然而，激光焊接的高能量不僅(jin) 會(hui) 熔化材料，還會(hui) 使材料蒸發。焊接過程中的蒸發會(hui) 在材料中產(chan) 生蒸汽毛細管。這種小孔使激光焊接具有非常高的縱橫比優(you) 勢（熔深與(yu) 焊縫寬度的高比率）。

與(yu) 通常提供更寬和更淺焊縫的熱焊接方法相比，激光焊接高縱橫比的結果就是較低的零件變形。然而鎖孔也可能帶來挑戰，因為(wei) 它的穩定性對於(yu) 實現高質量焊接至關(guan) 重要。在焊接鋼和鎳等高吸收材料時，鎖孔通常保持穩定，使激光焊接能夠獲得出色效果。但是在焊接銅、鋁和高合金材料時，鎖孔本身並不穩定，這就容易出現影響焊接質量的不規則性，例如氣孔和飛濺物。

圖1：激光焊接設備使汽車製造業(ye) 能夠應對電動汽車所需的生產(chan) 成本和產(chan) 量，這些設備將受益於(yu) 靈活性和光束控製

盡管存在上述挑戰，但汽車製造商還是更多地轉向基於(yu) 激光技術的新型材料加工工具來焊接、切割、組合和加工有先進規格的複雜產(chan) 品。激光技術使該行業(ye) 能夠幫助廠商顯著地提高產(chan) 量，作為(wei) 整體(ti) 經濟高效解決(jue) 方案的一部分（如圖1所示）。

雖然成本降低部分源於(yu) 激光焊接工具提供的功率增加，但這種功率的應用為(wei) 製造商帶來了一些額外考慮。具體(ti) 而言，隨著激光功率的增加，為(wei) 應用定製工藝參數以保持小孔的穩定性以及焊接接頭的微觀結構，就變得越來越重要。

保持鎖孔穩定性

製造商可以定製激光工藝參數，例如波長、脈衝(chong) 能量、脈衝(chong) 持續時間、重複率和進給率，以及激光束光斑的形狀、大小和強度。當今，常見的材料加工技術包括使用快速掃描儀(yi) 的擺動焊接、使用發射綠光或藍光激光器，或使用二合一雙芯光纖的可變疊加強度分布。

激光光束成形的方法分為(wei) 三類：靜態、可變和動態。衍射光學元件通過在窗口上發射薄圖案來提供具有成本效益的光束整形，該窗口會(hui) 衍射和調製通過它的光相位。對於(yu) 靜態光束整形，可以使用各種衍射光學元件定製工件的激光束輸出。然而，靜態解決(jue) 方案的問題在於(yu) ，隻有當不需要工藝靈活性時，才是合適的選項。

圖2：光學相控陣。每個(ge) 激光發射自己的光，與(yu) 遠場中的其他光束重疊形成衍射圖案

圖3：在動態光束激光器工作期間，來自單種子光纖激光器的光束分裂並通過平行陣列的電光相位調製器，每個(ge) 調製器驅動一個(ge) 光放大器

衍射光學元件還可以通過使用可調節的環形成形器來增加激光的靈活性，該環形成形器將光束分成中心尖峰或核心光束和周圍的環形光束。此選項需要單軸移動或旋轉改變核心和環形光束之間的比率強度。例如，雖然此類光束整形解決(jue) 方案可以使單一設備在批量生產(chan) 中提高給定流程的靈活性，但它們(men) 卻無法充分支持日常業(ye) 務的頻繁變化操作。

動態光束整形方法

為(wei) 了給製造商提供他們(men) 需要的工具，從(cong) 而擴大激光材料加工市場，研究人員幾十年來一直在追求動態光束整形技術。目前有四種動態塑造激光束的方法。它們(men) 涉及振鏡掃描儀(yi) 、壓電驅動執行器、基於(yu) 微機電係統的掃描儀(yi) 或光學相控陣。如今，許多供應商都提供了振鏡掃描儀(yi) ，它們(men) 可用於(yu) 單模光纖激光器焊接時以圓形或“8”字形圖案輸出。

壓電驅動的致動器通過改變激光束的焦距為(wei) 振鏡掃描儀(yi) 提供第三個(ge) 控製軸。該技術目前正在從(cong) 研究領域轉變為(wei) 現實世界的工業(ye) 應用。同時，基於(yu) 微機電係統的掃描儀(yi) 為(wei) 低功耗應用提供了動態光束整形選項。在大功率應用（例如連續焊接工藝）中確保掃描儀(yi) 的穩定性，仍然是一個(ge) 有待克服的挑戰。

這些光束整形解決(jue) 方案都沒有提供完整的解決(jue) 方案，從(cong) 而讓製造商無法優(you) 化電動汽車生產(chan) 的激光器成本和生產(chan) 力。雖然衍射光學元件可以改變激光束的形狀，但一旦設計和生成了新的形狀就無法即時更改。此外，機械掃描儀(yi) 可以解決(jue) 鎖孔不穩定性的問題，但它們(men) 又受到設計運行的最大速度和功率的限製。

進入相幹光束組合

以上討論的光束整形方法並沒有讓激光技術在材料加工應用中充分發揮其潛力。光學相控陣提供了另一種可能更有效的解決(jue) 方案。相控陣是一種相幹光束組合技術，它將許多單模激光束合成一個(ge) 更大的光束。每個(ge) 激光器發射自己的光束，並與(yu) 遠場中的其他光束重疊，形成衍射圖案（圖2）。這個(ge) 過程釋放了靈活性，可以輕鬆實時操縱光束形狀以創建動態光束激光器。

在動態光束激光器操作期間，來自單模光纖激光器的光束分裂並通過平行的電光相位調製器陣列，每個(ge) 調製器驅動一個(ge) 光放大器（圖3）。Civan Lasers等公司的專(zhuan) 有控製技術將這些多束單模光束組合成一個(ge) 窄的、高功率的單模光束，提供更大的功率密度。

這種用於(yu) 波束組合和控製的固態方法就像沒有移動部件的相控陣雷達一樣工作。相控陣通過差分激活陣列內(nei) 的每個(ge) 小天線來引導雷達波束。類似地，在動態光束激光器中，每個(ge) 平行激光器可以產(chan) 生重疊的光錐。

每個(ge) 錐形點的差異會(hui) 產(chan) 生輕微的相移。在各個(ge) 激光錐之間存在同相和異相區域，分別產(chan) 生相長幹涉和相消幹涉。使用相位調製器來控製單個(ge) 光束會(hui) 產(chan) 生幹涉圖案，該幹涉圖案可以改變以最大化光束點位置，從(cong) 而根據光束運動實現各種形狀圖案。所有這些都可以以高達數百兆赫的速度執行。

動態光束整形提供的另一個(ge) 優(you) 勢是能夠改變激光的焦點。調整相位相互作用不僅(jin) 可以在 XY平麵上移動光束，而且還可以改變光束在垂直方向上的焦點。這可以最大化不同深度的點能量，對於(yu) 切割或焊接操作期間需要穿透厚材料時非常有效。

動態光束整形

這種支持光學相控陣的動態光束整形技術使光纖激光源能夠提供高達100kW的功率，並具有多模激光器所缺乏的控製水平。最近的發展進一步增加了控製光束形狀以及形狀序列、頻率和焦深的能力。調整這四個(ge) 參數，並通過管理熔池的方式提高舊材料加工技術（例如釺焊合金零件）的質量參數，從(cong) 而實現前所未有的激光焊接工藝優(you) 化。

圖4：動態光束激光器允許用戶通過測試多種設置來快速優(you) 化不同的焊接工藝，以確定光束形狀對焊接幾何形狀的影響

如前所述，激光束的形狀對正在加工的材料有直接影響。不同的形狀可以實現特定的焊縫幾何形狀和微觀結構。所需的光束形狀取決(jue) 於(yu) 所需的結果，通常微小的調整就可以產(chan) 生不同的結果。現有的光束整形解決(jue) 方案無法靈活選擇各種形狀，更不用說設計任何所需形狀的能力了（圖4）。

相比之下，新興(xing) 的動態光束激光解決(jue) 方案與(yu) 軟件相結合，使用戶能夠設計與(yu) 應用相關(guan) 的光束形狀，將設計上傳(chuan) 到激光係統，然後使用橫截麵分析觀察對焊縫的影響。操作過程的便捷和快速，讓研究人員評估多種形狀並為(wei) 特定焊縫選擇最佳形狀成為(wei) 可能。更進一步，對光束形狀進行實時監測和控製，可實現光束的動態優(you) 化（圖5）。

頻率、排序和轉向

一旦設計了所需的光束形狀，就可以設置激光創建形狀的速度。創建形狀所需的時間稱為(wei) 形狀頻率，它會(hui) 影響焊接特性，因為(wei) 低於(yu) 最佳速度會(hui) 導致飛濺等缺陷。快速頻率（例如50MHz）是如此之快，以至於(yu) 形狀表現為(wei) 準靜態形狀，產(chan) 生的結果與(yu) 在千赫茲(zi) 或赫茲(zi) 範圍內(nei) 的頻率下產(chan) 生的結果完全不同。

圖5：動態光束激光器配有軟件，允許用戶針對焊接應用進行光束形狀的優(you) 化設計

頻率與(yu) 光束整形一樣也可以很容易改變。在某些情況下，頻率差異可能是顯著改善焊接所需的唯一變化。光束排序通過在微秒內(nei) 提供切換光束形狀的能力，為(wei) 激光焊接工藝增加了另一層靈活性。光束測序會(hui) 創建一係列不同的形狀，每個(ge) 形狀都有特定的處理目標，以實現幾個(ge) 所需的結果。可以對激光進行編程，使其以不同的速度和設定的間隔連續穿過每個(ge) 形狀。

例如，如果一種形狀可以穩定鎖孔並避免濺射，而另一種形狀可以避免開裂，那麽(me) 精心設計的這兩(liang) 種形狀的序列可以在激光的單次通過中實現兩(liang) 個(ge) 目標。當光束穿過堆疊的材料層以處理不同的材料（例如塗層和基板）時，光束排序程序還使激光器能夠從(cong) 一種光束形狀變為(wei) 下一種光束形狀。

圖6：動態光束激光器提供了一種有效的工具，在焊接1 mm厚鋁5052時避免隆起（珠狀突起的周期性出現）

標準激光器的焦深較短，導致工件的焊接深度不一致。單模激光器具有更大的焦深，動態光束激光器是單模激光器，也可以控製聚焦。這意味著在過程中可以隨時以任何速度在材料內(nei) 改變Z軸上的焦點位置。

在焊接過程中應用恒定焦點的激光器與(yu) 那些能夠控製光束焦點的激光器相比，產(chan) 生的結果大不相同，而且鋸齒狀的結果更多。焦點轉向可以生成更平滑、更堅固、更一致的焊縫。

將它們(men) 放在一起

動態光束激光器的優(you) 勢可以通過多種方式加速和提高工業(ye) 應用的輸出。例如，窄高斯光束可以更好地控製聚焦深度，即使激光器靠近工件定位，也允許激光器以嚴(yan) 格垂直平麵以外的角度進行焊接和切割。

以數百兆赫茲(zi) 速度移動光束及其焦點的能力能夠在工件上追蹤各種光束形狀圖案，以根據多種應用的需要分配能量。例如，當焊接兩(liang) 個(ge) 有間隙的零件時，高功率密度的窄光束可以快速跨過間隙刻出一個(ge) 大的形狀，從(cong) 而實現牢固連接。

在焊接操作期間，動態光束整形控製材料的熔池和熔池中的熱等離子鎖孔。隨著光束沿焊接線向下移動，材料從(cong) 固體(ti) 變為(wei) 液體(ti) 再到氣體(ti) ，然後反轉。通過精確控製熔池並減少附帶飛濺，在材料的所需階段發生再凝固，從(cong) 而獲得高質量的焊縫。

這種光束控製允許焊接反射率、熱容量和熔點不同的不同材料，例如鋁和銅。光束控製進一步允許激光器將裂紋敏感材料連接在一起，或在需要將細線固定到散裝材料時提供精確的能量。在鑽孔應用中穿透多層不同材料時，能夠在幾微秒內(nei) 快速排序，為(wei) 每一層量身定製的連續光束形狀的能力將產(chan) 生更均勻的孔。

動態光束激光技術允許用戶利用強大的激光工具，同時避免其中一些工具的自身不足。動態光束激光係統提供了快速輕鬆調整光束形狀和頻率的靈活性，以及創建光束序列和控製光束焦點，所有這些都使動態光束激光器成為(wei) 材料加工中潛在的遊戲規則改變者（圖6）。