可定制光斑形狀的三光點DOE

三光點DOE：

維爾克斯提供的三光點DOE目前廣泛應(yīng)用于激光焊錫、激光釬焊或激光熱鍍鋅，三光點DOE優(yōu)良的光學特性大大改善加工質(zhì)量。對于激光釬焊鍍鋅的應(yīng)用，理想的效果是焊縫平整，邊緣瑞利，釬焊均勻、沒有飛濺物和波紋的效果。而傳統(tǒng)的激光光斑直接焊接的方式難以獲得這種加工效果，傳統(tǒng)的激光釬焊只有一個光點，單光點釬焊在焊接過程中會持續(xù)參數(shù)飛濺物，細微飛濺物，起初很難被察覺，但在噴漆后就暴露無疑。接縫本身的質(zhì)量也出現(xiàn)下降，由于變得更粗糙，常會顯示出所謂的小波紋，如果超量，甚至會超出接縫外觀可接受的標準范圍。而三光點釬焊的方式能夠明顯減少或消除飛濺物，焊縫的外觀在三光點釬焊中也比單光點釬焊更為美觀，單光點釬焊的焊縫粗糙并帶有小波紋，而三光點釬焊的焊縫則幾乎沒有小波紋，釬焊/鍍鋅效果非常均勻。

 主流的三光點激光方案：

目前市場上主流的三光點激光方案有：海納光學的三光點DOE，Laserline公司三光點激光模塊和IPG Photonics公司的三光點光纖激光器。海納光學的三光點DOE應(yīng)用面，設(shè)計自由度。三光點DOE可以針對包括光纖激光器和半導體激光器在內(nèi)的各種激光器產(chǎn)生三光點激光，同時，三光點激光的形狀和尺寸可以由客戶，三光點之間的能量分布也可以自由分配。Laserline公司的方案是兩個前光點加一個矩形的均勻光斑，具體做法為Scansonic ALO3釬焊光學元件中添加了均質(zhì)化模塊，配合大功率半導體激光器使用。在IPG的YLS-5000-BR的方案是兩個前光點加一個圓形的均勻光斑，通過特殊的光纖設(shè)計來實現(xiàn)，配合光纖激光器使用。主光點尺寸為600微米，剝蝕光點尺寸為100微米。操作模式為連續(xù)或可調(diào)制，主光束標稱輸出功率為4000W，剝蝕光束數(shù)量為2，剝蝕光束標稱輸出功率為500W。

       目前產(chǎn)生三光點的方法主要有三種，1）特殊的3芯光纖，2）Scansonic ALO3釬焊光學元件，另一種就是采用衍射光學的方法，也就是海納光學提供的Holoor三光點DOE。       三光點DOE不僅可以輸出和三芯光纖相同的光斑分布，實現(xiàn)同樣的加工效果。而且三光點還具有更大的設(shè)計自由度，可以根據(jù)客戶的需求自由調(diào)配三個光斑尺寸和光強分布，除了搭配光纖激光器紫外，還可以配合其他激光器使用。在基于DOE的設(shè)計方法中，三光點DOE有效孔徑由三個子孔徑組成。 具有棱鏡功能的兩個四分之一圓形區(qū)域產(chǎn)生兩個能量高度集中的點光斑，而另一個半圓區(qū)域具有光束整形功能，產(chǎn)生中心大圓光斑。在DOE的有效孔徑內(nèi)調(diào)整位置可以控制子孔徑之間的比率，從而控制形狀。具體原理如下圖所示。

三光點釬焊技術(shù)特點：

l  部件的清潔與焊接一步完成

l  提高工藝可重復(fù)性

l  改善焊接強度

l  提高釬焊速度

l  改善焊縫外觀：焊縫邊緣筆直美觀，無飛濺

l  控制釬焊溫度

l  熱影響區(qū)最小化

l  降低工藝運行成本

應(yīng)用：

l  電鍍鋅材料的釬焊

l  熱浸鍍鋅材料的釬焊

l  三光點釬焊和焊接

l  汽車車身鋼板的連接

三光點和單光點焊錫/熱鍍鋅的實驗對比：

有實驗室專門進行了三光點和單光點焊錫的對比?；谋仨氉銐蚯鍧崱o氧化，已獲得良好的釬焊效果。因為污染物會阻礙釬料的流動，導致釬焊部件潤濕不足，影響焊縫的強度及美觀度。

實驗人員設(shè)置了3個測試條件，釬焊速度為4.5m/min。

1）主光點4.3kW的單光點焊縫

2）主光點3.5kW的單光點焊縫

3）三光點焊縫，主光點3.5kW、剝蝕光點0.85kW

根據(jù)實驗結(jié)果，可以明顯地觀察到看到4.3kW單光點焊縫粗糙，有明顯的小波紋，3.5kW單光點焊縫同樣有很多小波紋，而三光點焊縫則非常平整，幾乎沒有小波紋。

目前市場主流激光釬焊，熱浸鍍鋅鋼板：

激光釬焊在加工汽車所使用的鍍鋅鋼板上已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。激光釬焊本身是一種無接觸式工藝：激光束加熱焊料。在流程期間可作為填充焊絲供應(yīng)焊料，通常是銅或鋅合金。由此將焊料熔化并填充接縫。熔液將兩個工件接合起來。

激光釬焊工藝按溫度可以分為兩種：熔化溫度高于450攝氏度的激光硬釬焊，主要用于汽車工業(yè)的熱鍍鋅；熔化溫度低于450攝氏度的激光軟釬焊，主要用于生產(chǎn)電子元器件貼片。

汽車生產(chǎn)商也越來越多地轉(zhuǎn)向在車身上使用激光釬焊熱浸鍍鋅鋼板，因其比傳統(tǒng)的電鍍鋅更耐腐蝕，從而帶來技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢。但由于新的鋼板表面特性，激光釬焊靠近接縫處的飛濺物越來越多，一些很難被察覺的細微飛濺物在噴漆后就會暴露出來；另一方面，接縫本身也變得更粗糙，常會顯示出所謂的小波紋，如果超量的話就會超出接縫外觀可接受的標準范圍。

維爾克斯光電提供三光點釬焊技術(shù)則能使焊接過程變得平穩(wěn)，幾乎避免了飛濺物和小波紋的產(chǎn)生。

三光點光纖激光

針對激光釬焊/熱鍍鋅的應(yīng)用，IPG Photonics公司特別推出了YLS-5000-BR三光點光纖激光器，其采用三根光纖的方法實現(xiàn)三光點輸出。主要原理是在主光點前方兩側(cè)設(shè)有兩個面積較小的剝蝕光點，方向與主光點的釬焊方向同向。來自剝蝕光點的局部加熱能夠有效清潔金屬基材，改善釬料的流動，提高焊縫強度、美觀度及工藝可重復(fù)性。三光點光纖釬焊工藝能夠取代傳統(tǒng)的非激光釬焊技術(shù)，提高加工速度，使工件的熱影響區(qū)最小化，減少對人工清潔的依賴。

三光斑模塊

這個是Laserline公司主推的技術(shù)。三光斑模塊是把一條光束分布成三條光束。一方面，光斑之間的位置可以精確地設(shè)置；另一方面，激光功率也可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要分配到三個光斑中，包括：(1)能夠在主光斑和前光斑之間調(diào)節(jié)功率分配，(2)也能夠在前光斑之間調(diào)整功率分配。此外，光斑之間的空間也可以進行調(diào)整。

三光斑模塊概念相比與市場上的三核光纖來說更為方便實用，它可以被集成在追蹤焊縫的旋轉(zhuǎn)軸后面，并且生成的三光斑可以正確地朝向用作跟蹤傳感器的導線。而如果使用三核光纖，由于會引起工藝不穩(wěn)定，就得放棄使用旋轉(zhuǎn)軸。此外，如果已經(jīng)有一臺更老的激光系統(tǒng)，裝備三光斑模塊無疑會是更好的選擇，已經(jīng)安裝了的模塊也可以輕松更換新的模塊。

由于這些優(yōu)勢特點，三光斑模塊很快就被運用到汽車制造當中，到2016年10月就已被整合進5種汽車的量產(chǎn)中，更多的訂單也已確認。