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）研究并運用了最新的生產(chǎn)技術。例如在激光材料加工領域，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)能夠構造金屬表面，使其具有抗菌、防水和防油脂的特性。這項工作可能會使未來的家用電器可以長時間地保持清潔。

　　博世研究院聯(lián)合技術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用，并希望在出現(xiàn)最新技術時采用這些技術。多年來，我們看到了激光在光束質量和功率方面都在不斷增加。隨著創(chuàng)新光學技術的發(fā)展和新波長的出現(xiàn)，例如在銅加工光譜的可見光（藍光和綠光）部分，可以利用這些不斷發(fā)展的技術開發(fā)新工藝。

　　因此，接下來就是有關于“激光材料加工的下一步” 的問題。

　　光束整形帶來的新機遇

　　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)，而無需改變光學元件。在他看來，為了進一步優(yōu)化工藝，光束整形是一個成熟的參數(shù)領域，因為目前99% 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，用于可調節(jié)光束質量的激光器的“環(huán)形”技術的出現(xiàn)，但實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節(jié)時非常不方便。

　　這就是為什么博世公司開始與以色列公司Civan Laser 的動態(tài)光束激光器（DBLs）合作，使用相干光束合成技術。在這里，許多不同相位的光束被重疊，以在高達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，從而為提高工藝質量、速度和創(chuàng)造全新應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，許多激光技術專家認為這是一種很好的方法，但許多人認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年前就介紹了這個概念，我們認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。它提供了一個全新的可調參數(shù)領域。”

　　掌握新技術

　　此后，Civan公司將該技術應用于材料加工并發(fā)布了它和博世研究院共同試驗的系統(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進一步指出，這正是我們在博世研究團隊所做的：采用新興技術并確定它們未來的用途。在這項工作中，公司將探索全新的想法，了解新的動態(tài)光束激光器技術可以做什么。雖然用戶可以使用可調節(jié)光束質量激光器進行很多工藝，但毫無疑問的是DBL將為未來的工藝設計創(chuàng)造很大的自由度。

　　Civan相干光束合成技術的另一個優(yōu)點是，能夠在大工作距離內實現(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，光學元件必須非?？拷愕牧慵?，然而通過這項技術可以增加加工距離，使你能夠用掃描儀覆蓋更大的工作區(qū)域。這對于提高遠程焊接速度或在相同速度下提高遠程焊接質量非常重要，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，高頻動態(tài)光束整形是激光材料加工下一步的真實原因。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)許多有益的應用實例。當前，博世對這項技術非常感興趣。

　　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影響工藝進行更多的基礎研究。“一旦我們實現(xiàn)了這一目標，我們就可以找到它的應用程序，”Ramsayer肯定地說，“我們當然會考慮應用，例如用于未來車輛的燃料電池、電力驅動和電力電子產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此我們可能會從這些領域開始，然后找到其他同樣有益的工藝。”

　　雖然Civan的DBL可以實現(xiàn)其他激光器的光束形狀，但目前需要昂貴的專業(yè)光學元件來實現(xiàn)這一點。即使這樣也無法在加工過程中調整光束形狀。Ramsayer談到，因此，DBL技術的創(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元件。如果需要在單個零件上進行不同的焊接或快速連續(xù)地在多個零件上進行不同的焊接，這項技術將會非常實用。

　　博世研究院預計，DBL技術將特別適用于電動汽車領域，并將分別用于動力電池和燃料電池的發(fā)夾、母線和雙極電堆焊接。Ramsayer說，這些都需要進行大量高質量、長距離的焊接，而且由于電動汽車的行業(yè)特性，所有這些都有很高的成本壓力。這項技術應使我們能夠加快此類零件的生產(chǎn)，同時使其更小和更好。

　　Ramsayer繼續(xù)說道，激光被視為電動汽車生產(chǎn)中的一項重要技術，但焊縫的質量和再現(xiàn)性必須比目前的水平有所提高。雖然今天，我們調整了目前所有可用的參數(shù)來實現(xiàn)這一目標，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，高頻動態(tài)光束成形可用于提高工藝質量和速度，最終使企業(yè)能夠以更低的價格為客戶提供更好的產(chǎn)品。

　　對于激光焊接而言，動態(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)造了機會。動態(tài)光束激光器有以下幾個優(yōu)點：DBL可以使用簡單的軟件設計成任何形狀，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。例如當焊接異種金屬時，DBL允許使用兩個同時移動的激光點（如廚房攪拌器的移動），以提供所需的均勻焊接。

　　DBL的動態(tài)特性意味著可以設計和創(chuàng)建一系列形狀，使激光束相對于進給方向跟隨，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，可以對激光進行編程，使其在穿過層和材料變化時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行優(yōu)化。

　　束流形狀頻率可以在過程中從400Hz調整到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，非最佳頻率可能導致飛濺。通過動態(tài)改變速度，操作員可以減少甚至消除飛濺的風險。如果標準激光器的焦距較短，導致大部分熱量集中在一個點上，DBL允許在過程中隨時移動焦點位置，確保焊接更加一致。

關注讀覽天下微信， 100萬篇深度好文， 等你來看……