Способы формирования пучка с регулируемой функцией распределения интенсивности

Лазерная сварка используется в широком спектре промышленных приложений, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, производство полупроводников, электронику, медицину, энергетику, оборону и др. Немодулированный лазерный пучок не является оптимальной формой для многих промышленных применений в целом, особенно в области сварки, пайки и других подобных процессов. По сравнению с другими приложениями для лазерной обработки материалов эти процессы отличаются необходимой мощностью лазера (несколько кВт) и часто используемыми многомодовыми пучками. Распределение интенсивности лазера, адаптированное для конкретного процесса, может улучшить производительность, высоту шва, прочность и гладкость кромок стыков.

Для целей сварки и пайки обычно используется придание круглой, квадратной, линейной и кольцевой формы интенсивности с однородными профилями интенсивности. Также часто используются пучки с областями разной интенсивности.

Для достижения такой формы в лазерной сварке используется  множество методов формирования лазерного пучка. К ним относятся дифракционные оптические элементы (DOE), изготовленные на заказ пучки волокон с особым расположением, профилированные сердцевины волокон, комбинации лазеров с индивидуальной формой излучаемого пучка, гальво-сканеры, цифровые зеркальные устройства (DMD) и преломляющая микрооптика.

По сравнению с другими методами, DOE имеет несколько ключевых преимуществ: свобода формования - может быть разработана любая форма, гибкость производства, пассивность компонентов (отсутствие необходимости в движущихся механических частях или электронике) и высокий порог лазерного повреждения. Один дифракционный оптический элемент в сочетании с ручным или автоматическим трансляционным/поворотным столиком может превратить ограниченную лазерную машину в гибкое универсальное решение для множества процессов без необходимости изменения конструкции лазера, сложной электроники или специальных манипуляций с волокном.

Чтобы показать потенциал DOE для лазерной сварки, мы рассмотрим некоторые концепции формования, полезные для этих приложений.

Рисунок 1. Научная установка Штефана Либль и Института станков и управления производством при Техническом университете Мюнхена. Штефан Либл разработал этот проект в тесном сотрудничестве с Laser Components и Holo/Or

Концепция регулируемой функции

Регулируемая форма может быть достигнута с помощью метода субапертур. В этом способе формирования апертура оптического элемента делится на дискретные или непрерывно изменяющиеся области, причем каждая область имеет свои собственные оптические функции. Лазерный пучок, падающий на элемент, разделяется субапертурами на суб-лучи, и каждый суб-луч подвергается индивидуальной модификации. Субапертуры могут иметь равные или разные площади и разные формы - например, угловые сегменты, полосы или квадраты, как показано на рисунке 2.

Перемещение лазерного луча в пределах апертуры изменяет количество энергии, падающей на каждую субапертуру. Этот эффект используется для общей настройки оптических функций. Некоторые основные конфигурации оптических элементов с субапертурами показаны на рисунке 2.
 

Рисунок 2. Строка 1: Схематический вид апертуры: угловые сегменты (а), полосы (b) и квадраты (c). Строка 2: Схематическое изображение субапертурных элементов для общих случаев: двухточечная сварка (d), тройная точечная сварка (e) и непрерывное сканирование (f)

Метод настройки схематически показан на рисунке 3 для DOE, который формирует пучок в центральное пятно с окружающим его кольцом. Эта форма интенсивности используется для резки и сварки различными интеграторами и, как известно, дает улучшенные результаты процесса, при этом отношение центрального пятна к кольцу настраивается для конкретного применения. Такое же гибкое формообразование может быть достигнуто путем интеграции двухкоординатного держателя по оси x y с формирователем луча DOE с субапертурой в лазерную головку. Регулировка положения в пределах апертуры DOE будет управлять соотношением субапертур и, следовательно, формой.

Рисунок 3. Схематическое изображение лазерной головки со встроенным формирователем DOE с ручным транслятором x. Левая область DOE формирует падающий луч в кольцо, а правая - в центральное круглое пятно. Перемещение элемента по оси x изменяет соотношение мощностей между кольцом и центральным пятном

Примером такого решения является широко используемая концепция трех точек с двумя полосовыми лучами и одним основным лучом, реализованная с использованием трех связанных волоконных лазерных источников. В аналоговом методе на основе DOE прозрачная апертура состоит из трех субапертур. Две маленькие апертуры с призматической функцией для отклонения двух полосовых лучей и большая центральная субапертура с функцией формирования луча для основного пятна. Эта концепция схематически представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схематическое изображение принципа действия субапертурного трехточечного формирователя пучка для сварки, регулируемое соотношение мощностей достигается перемещением элемента относительно падающего лазерного луча

Еще одно интересное решение с регулируемой формой - это использование двух или более радиально разнесенных областей апертуры, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Схематический вид апертуры формирователя с двумя радиальными участками (слева) и тремя участками (справа)

Регулировка луча относительно апертур может выполняться с помощью ручного или моторизованного расширителя луча/телескопа аксикон. Базовые конфигурации показаны на рисунке 6. Количество энергии на радиальных субапертурах DOE может контролироваться формой и размером выходного луча от расширителя луча/телескопа аксикон. При использовании обычного расширителя луча этот метод можно использовать для форм, у которых центральная апертура всегда имеет некоторую мощность (статические формы и множественные пятна). Если вместо этого используется телескоп аксикон, полное переключение форм возможно за счет увеличения и уменьшения диаметра кольца (то есть изменения расстояния аксикона).

Рисунок 6. Принципиальная схема установки, включающей DOE с радиальными отверстиями. Регулируемый телескоп аксикон (слева) и расширитель луча (справа). Телескопы контролируют диаметр выходного луча / кольца и регулируют распределение интенсивности по субапертурам

На основе рассмотренных до сих пор методов субапертур можно предложить решение для любой из четырех основных категорий сварочных работ. Эти категории, выделенные в соответствии с их потребностями в формировании лазерного пучка, подробно описаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные категории применения лазерной сварки, определенные в соответствии с потребностями формования

М-формирователи

При сварке функция теплопередачи зависит от многих параметров, таких как время воздействия, проводимость материала, условия окружающей среды и другие.

Пучок произвольной формы не оптимален для сварки на относительно больших площадях, где чаще всего применяется профилирование пучков. Обычно центральная область перегревается, а углы недогреваются. Эту проблему можно решить с помощью распределения освещенности, обратного тепловой карте, где центр имеет наименьшую интенсивность, а углы имеют максимальную интенсивность - это называется квадратной M-образной формой. Отношение интенсивности между центром и углами можно регулировать моментально в соответствии с потребностями конкретного процесса с помощью тех же методов, которые описаны в разделе субапертур выше. Управление в реальном времени и автоматически регулирующаяся обратная связь могут сделать этот процесс еще более точным. Пример распределения интенсивности квадратного M-образного формирователя показан на рисунке 9, справа вверху.

Рисунок 7. Маршрут синусоидального сканирования (слева), маршрут зигзагообразного сканирования (справа)

Рисунок 8. Слева направо: Верхняя линия: наложенные друг на друга формы с регулируемым ярким пятном, Т-образная форма, форма угла, форма полукруга, форма I. Нижняя линия: тройное пятно, конфигурация тройного пятна, двойные пятна, кольцо

Рисунок 9. Непрерывно меняющиеся формы (по часовой стрелке от верхнего левого угла): увеличивающийся размер квадратной формы, квадратный M-образный с регулируемым уровнем в центре, два квадрата с изменяющейся относительной интенсивностью, квадратный размер увеличивается и изменяется на круглую форму

Рисунок 10. Пример конфигурации переключения, в которой каждый раз активируется только одна фигура (слева направо): от круга к квадрату до перекрестия, массив точек от 2×2 до 3×3, два треугольника ориентированы ортогонально

Формирование трансформации M²

Помимо стандартного формирования луча выходного лазерного излучения для определенного пространственного распределения интенсивности, есть еще одна очень интересная идея анаморфного формирования луча (или преобразования M²) для многомодовых лазеров.

Как правило, высокомодовые лазеры, используемые в сварке, не могут быть точно сфокусированы из-за их высоких значений M². Для кВт-лазеров с волоконной связью существует внутренняя связь между мощностью и некогерентностью - как правило, чем выше мощность, тем больше числовая апертура волокна (NA) и выше M². Таким образом, при работе с очень высокой мощностью жесткая фокусировка с хорошей глубиной резкости не достигается стандартным формированием.

Способ обеспечить узкую фокусировку и увеличить глубину фокуса заключается в изменении качества лазерного луча по ортогональным осям, так что одна из осей становится очень когерентной, а вторая - сильно некогерентной. В целом пространственная когерентность лишь немного увеличилась. В настоящее время существуют две основные известные конфигурации преобразования M² - в координатах x-y и R-θ.

На рисунке 11 демонстрируется как применяемые в настоящее время формы могут быть использованы после преобразования M². Маленькие цифры в нижних левых углах представляют существующее формирование с большими изображениями, относящимися к улучшенному формированию, возможному с помощью преобразования M².

На рисунке 11а показан метод лазерной формовки с тремя точками, используемый для пайки и сварки. В этом методе пятна обычно сканируются в направлении стрелки. Применяя анаморфное преобразование M², можно добиться гораздо более узкого центрального лепестка и боковых пятен при сохранении той же плотности мощности, что и при формировании тока. Это позволяет пайку гораздо более узких деталей и меньших швов.

Рисунке 11b описывает аналогичную концепцию, но в полярных координатах. Луч кольцевой формы имеет такую же плотность мощности при гораздо меньшей толщине кольца по сравнению с центральным пятном.

Рисунке 11c показывает, что с помощью преобразования M² можно получить нетривиальные распределения, которые невозможны при нормальном формировании высокомодовых лазеров. Без преобразования M² кольца будут перекрываться для меньших диаметров колец, в то время как для преобразованного луча кольца могут иметь небольшие угловые расстояния.

Рисунок 11. Сварочная формовка, оптимизированная преобразованием M2. Основное изображение после трансформации и в левом нижнем углу без трансформации. Форма трехточечной сварки после преобразования x-y (a), кольцевая балка с центральным пятном сильного пятна после преобразования R-θ (b) и два кольца с индивидуальным преобразованием R-θ (c)

Заключение

В этой статье были рассмотрены некоторые подходы к формированию мощности лазера для сварочных работ. Был представлен метод формирования с регулируемой функцией с использованием субапертур и обсуждались различные схемы, в соответствии с которыми активное динамическое формирование может быть выполнено с использованием субапертур путем перемещения луча относительно субапертур на формирователе DOE. Эти методы могут обеспечить сканирование без гальвосканера, активное переключение формы в процессе и даже непрерывное изменение распределения лазерного излучения.

Был рассмотрен конкретный случай M-образной формы, полезной для сварочных работ, и то, как этот метод можно комбинировать с формированием субапертур, чтобы получить регулируемое отношение интенсивности края к центру пятна.

Наконец, были обсуждены преимущества преобразования M² для сварки, а именно возможность работы с сильно сфокусированными линиями/кольцами даже с сильно многомодовыми входными лазерами.

© 2019 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ