在從家用電器到汽車零部件等廣泛產(chǎn)品的開發(fā)過程中，博世（Bosch）研究并運(yùn)用了最新的生產(chǎn)技術(shù)。例如在激光材料加工領(lǐng)域，多年來激光材料加工已成為博世生產(chǎn)庫中的眾多工具之一。

　　2021 年該公司宣布與歐洲光電子協(xié)會LAMpAS 合作開發(fā)一種激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠構(gòu)造金屬表面，使其具有抗菌、防水和防油脂的特性。這項(xiàng)工作可能會使未來的家用電器可以長時(shí)間地保持清潔。

　　博世研究院聯(lián)合技術(shù)首席專家及激光材料加工組經(jīng)理 Reiner Ramsayer 博士表示，我們有很多依賴于激光材料處理的應(yīng)用，并希望在出現(xiàn)最新技術(shù)時(shí)采用這些技術(shù)。多年來，我們看到了激光在光束質(zhì)量和功率方面都在不斷增加。隨著創(chuàng)新光學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新波長的出現(xiàn)，例如在銅加工光譜的可見光（藍(lán)光和綠光）部分，可以利用這些不斷發(fā)展的技術(shù)開發(fā)新工藝。

　　因此，接下來就是有關(guān)于“激光材料加工的下一步” 的問題。

　　光束整形帶來的新機(jī)遇

　　根據(jù)Ramsayer 的說法，答案是能夠在加工過程中改變激光束的輪廓和參數(shù)，而無需改變光學(xué)元件。在他看來，為了進(jìn)一步優(yōu)化工藝，光束整形是一個(gè)成熟的參數(shù)領(lǐng)域，因?yàn)槟壳?9% 的激光工藝使用高斯或頂帽輪廓的單圓光束。

　　雖然在過去的3-4 年中，用于可調(diào)節(jié)光束質(zhì)量的激光器的“環(huán)形”技術(shù)的出現(xiàn)，但實(shí)際的光束整形功能非常有限。此類系統(tǒng)無法讓用戶獲得所需的任何光束形狀，并且它們提供的形狀可能是相當(dāng)靜態(tài)的。雖然可以更改環(huán)和核心區(qū)域的功率，但這里的困難在于調(diào)節(jié)時(shí)非常不方便。

　　這就是為什么博世公司開始與以色列公司Civan Laser 的動(dòng)態(tài)光束激光器（DBLs）合作，使用相干光束合成技術(shù)。在這里，許多不同相位的光束被重疊，以在高達(dá)兆赫頻率和高功率下產(chǎn)生不同的光束形狀。這使得在焊接過程中能夠完全控制鍵孔，從而為提高工藝質(zhì)量、速度和創(chuàng)造全新應(yīng)用開辟了新的可能性。

　　相干光束組合的概念并不新鮮，但在最近幾年才適用于高功率（千瓦級）材料加工激光器。“在過去10年中，許多激光技術(shù)專家認(rèn)為這是一種很好的方法，但許多人認(rèn)為它不適用于功率為數(shù)十千瓦的激光器，或者它太貴了，”Ramsayer談到，“此后，Civan公司已經(jīng)克服了這些問題。他們在4-5年前就介紹了這個(gè)概念，我們認(rèn)識到它在激光材料加工的下一步發(fā)展中具有巨大的潛力。它提供了一個(gè)全新的可調(diào)參數(shù)領(lǐng)域。”

　　掌握新技術(shù)

　　此后，Civan公司將該技術(shù)應(yīng)用于材料加工并發(fā)布了它和博世研究院共同試驗(yàn)的系統(tǒng)。Ramsayer表示，現(xiàn)在我們正處于大量研究的階段，以增加對工藝基礎(chǔ)的理解，確定不同光束形狀和其他參數(shù)（如激光功率、焊接深度、材料類型等）之間的關(guān)系。這將使我們能夠確定哪些光束形狀可用于，例如影響某些材料的焊接速度而不會引起額外缺陷，如氣孔或開裂。

　　Ramsayer進(jìn)一步指出，這正是我們在博世研究團(tuán)隊(duì)所做的：采用新興技術(shù)并確定它們未來的用途。在這項(xiàng)工作中，公司將探索全新的想法，了解新的動(dòng)態(tài)光束激光器技術(shù)可以做什么。雖然用戶可以使用可調(diào)節(jié)光束質(zhì)量激光器進(jìn)行很多工藝，但毫無疑問的是DBL將為未來的工藝設(shè)計(jì)創(chuàng)造很大的自由度。

　　Civan相干光束合成技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠在大工作距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)小光斑尺寸。Ramsayer解釋說：“目前，如果你想在工件上獲得較小的光斑尺寸，光學(xué)元件必須非?？拷愕牧慵?，然而通過這項(xiàng)技術(shù)可以增加加工距離，使你能夠用掃描儀覆蓋更大的工作區(qū)域。這對于提高遠(yuǎn)程焊接速度或在相同速度下提高遠(yuǎn)程焊接質(zhì)量非常重要，這將使未來能夠更可靠和高效地生產(chǎn)大量產(chǎn)品成為可能。”

　　這就是為什么在Ramsayer看來，高頻動(dòng)態(tài)光束整形是激光材料加工下一步的真實(shí)原因。雖然它肯定不會適用于博世產(chǎn)品加工的所有流程，但他相信會發(fā)現(xiàn)許多有益的應(yīng)用實(shí)例。當(dāng)前，博世對這項(xiàng)技術(shù)非常感興趣。

　　讓它發(fā)揮作用

　　然而為了將DBL投入生產(chǎn)，博世仍需要對如何利用DBL影響工藝進(jìn)行更多的基礎(chǔ)研究。“一旦我們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，我們就可以找到它的應(yīng)用程序，”Ramsayer肯定地說，“我們當(dāng)然會考慮應(yīng)用，例如用于未來車輛的燃料電池、電力驅(qū)動(dòng)和電力電子產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此我們可能會從這些領(lǐng)域開始，然后找到其他同樣有益的工藝。”

　　雖然Civan的DBL可以實(shí)現(xiàn)其他激光器的光束形狀，但目前需要昂貴的專業(yè)光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。即使這樣也無法在加工過程中調(diào)整光束形狀。Ramsayer談到，因此，DBL技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，可以在高頻下產(chǎn)生大量的光束形狀而無需改變光學(xué)元件。如果需要在單個(gè)零件上進(jìn)行不同的焊接或快速連續(xù)地在多個(gè)零件上進(jìn)行不同的焊接，這項(xiàng)技術(shù)將會非常實(shí)用。

　　博世研究院預(yù)計(jì)，DBL技術(shù)將特別適用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，并將分別用于動(dòng)力電池和燃料電池的發(fā)夾、母線和雙極電堆焊接。Ramsayer說，這些都需要進(jìn)行大量高質(zhì)量、長距離的焊接，而且由于電動(dòng)汽車的行業(yè)特性，所有這些都有很高的成本壓力。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)使我們能夠加快此類零件的生產(chǎn)，同時(shí)使其更小和更好。

　　Ramsayer繼續(xù)說道，激光被視為電動(dòng)汽車生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，但焊縫的質(zhì)量和再現(xiàn)性必須比目前的水平有所提高。雖然今天，我們調(diào)整了目前所有可用的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如焊接速度、激光功率、聚焦直徑等，但仍然無法輕松地改變過程中的光束輪廓，高頻動(dòng)態(tài)光束成形可用于提高工藝質(zhì)量和速度，最終使企業(yè)能夠以更低的價(jià)格為客戶提供更好的產(chǎn)品。

　　對于激光焊接而言，動(dòng)態(tài)光束激光器（DBL）的問世既改變了游戲規(guī)則，又對新產(chǎn)品的需求和新的工藝方法創(chuàng)造了機(jī)會。動(dòng)態(tài)光束激光器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：DBL可以使用簡單的軟件設(shè)計(jì)成任何形狀，而不僅僅是傳統(tǒng)的熱循環(huán)。無論需要加熱的區(qū)域大小或形狀如何，都可以根據(jù)需要定制激光器。例如當(dāng)焊接異種金屬時(shí)，DBL允許使用兩個(gè)同時(shí)移動(dòng)的激光點(diǎn)（如廚房攪拌器的移動(dòng)），以提供所需的均勻焊接。

　　DBL的動(dòng)態(tài)特性意味著可以設(shè)計(jì)和創(chuàng)建一系列形狀，使激光束相對于進(jìn)給方向跟隨，從而提供全新的靈活性。例如，與使用適合所有待焊接材料所需的最低性能不同，可以對激光進(jìn)行編程，使其在穿過層和材料變化時(shí)從一種光束形狀改變?yōu)榱硪环N光束形狀。然后在每一層對過程進(jìn)行優(yōu)化。

　　束流形狀頻率可以在過程中從400Hz調(diào)整到500Mhz，以更好地控制小孔和熔池。激光形成形狀的速度決定了焊縫的特性，非最佳頻率可能導(dǎo)致飛濺。通過動(dòng)態(tài)改變速度，操作員可以減少甚至消除飛濺的風(fēng)險(xiǎn)。如果標(biāo)準(zhǔn)激光器的焦距較短，導(dǎo)致大部分熱量集中在一個(gè)點(diǎn)上，DBL允許在過程中隨時(shí)移動(dòng)焦點(diǎn)位置，確保焊接更加一致。

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