三光点DOE

可定制光斑形状的三光点DOE

三光点DOE：

维尔克斯提供的三光点DOE目前广泛应用于激光焊锡、激光钎焊或激光热镀锌，三光点DOE优良的光学特性大大改善加工质量。对于激光钎焊镀锌的应用，理想的效果是焊缝平整，边缘瑞利，钎焊均匀、没有飞溅物和波纹的效果。而传统的激光光斑直接焊接的方式难以获得这种加工效果，传统的激光钎焊只有一个光点，单光点钎焊在焊接过程中会持续参数飞溅物，细微飞溅物，起初很难被察觉，但在喷漆后就暴露无疑。接缝本身的质量也出现下降，由于变得更粗糙，常会显示出所谓的小波纹，如果超量，甚至会超出接缝外观可接受的标准范围。而三光点钎焊的方式能够明显减少或消除飞溅物，焊缝的外观在三光点钎焊中也比单光点钎焊更为美观，单光点钎焊的焊缝粗糙并带有小波纹，而三光点钎焊的焊缝则几乎没有小波纹，钎焊/镀锌效果非常均匀。

 主流的三光点激光方案：

目前市场上主流的三光点激光方案有：海纳光学的三光点DOE，Laserline公司三光点激光模块和IPG Photonics公司的三光点光纤激光器。海纳光学的三光点DOE应用面，设计自由度大。三光点DOE可以针对包括光纤激光器和半导体激光器在内的各种激光器产生三光点激光，同时，三光点激光的形状和尺寸可以由三光点之间的能量分布也可以自由分配。Laserline公司的方案是两个前光点加一个矩形的均匀光斑，具体做法为ScansonicALO3钎焊光学元件中添加了均质化模块，配合大功率半导体激光器使用。在IPG的YLS-5000-BR的方案是两个前光点加一个圆形的均匀光斑，通过特殊的光纤设计来实现，配合光纤激光器使用。主光点尺寸为600微米，剥蚀光点尺寸为100微米。操作模式为连续或可调制，主光束标称输出功率为4000W，剥蚀光束数量为2，剥蚀光束标称输出功率为500W。

       目前产生三光点的方法主要有三种，1）特殊的3芯光纤，2）ScansonicALO3钎焊光学元件，另一种就是采用衍射光学的方法，也就是海纳光学提供的Holoor三光点DOE。       三光点DOE不仅可以输出和三芯光纤*相同的光斑分布，实现同样的加工效果。而且三光点还具有更大的设计自由度，可以根据客户的需求自由调配三个光斑尺寸和光强分布，除了搭配光纤激光器紫外，还可以配合其他激光器使用。在基于DOE的设计方法中，三光点DOE有效孔径由三个子孔径组成。 具有棱镜功能的两个四分之一圆形区域产生两个能量高度集中的点光斑，而另一个半圆区域具有光束整形功能，产生中心大圆光斑。在DOE的有效孔径内调整位置可以控制子孔径之间的比率，从而控制形状。具体原理如下图所示。

三光点钎焊技术特点：

l  部件的清洁与焊接一步完成

l  提高工艺可重复性

l  改善焊接强度

l  提高钎焊速度

l  改善焊缝外观：焊缝边缘笔直美观，无飞溅

l  控制钎焊温度

l  热影响区小化

l  降低工艺运行成本

应用：

l  电镀锌材料的钎焊

l  热浸镀锌材料的钎焊

l  三光点钎焊和焊接

l  汽车车身钢板的连接

三光点和单光点焊锡/热镀锌的实验对比：

有实验室专门进行了三光点和单光点焊锡的对比。基材必须足够清洁、无氧化，已获得良好的钎焊效果。因为污染物会阻碍钎料的流动，导致钎焊部件润湿不足，影响焊缝的强度及美观度。

实验人员设置了3个测试条件，钎焊速度为4.5m/min。

1）主光点4.3kW的单光点焊缝

2）主光点3.5kW的单光点焊缝

3）三光点焊缝，主光点3.5kW、剥蚀光点0.85kW

根据实验结果，可以明显地观察到看到4.3kW单光点焊缝粗糙，有明显的小波纹，3.5kW单光点焊缝同样有很多小波纹，而三光点焊缝则非常平整，几乎没有小波纹。

目前市场主流激光钎焊，热浸镀锌钢板：

激光钎焊在加工汽车所使用的镀锌钢板上已经取得了广泛应用。激光钎焊本身是一种无接触式工艺：激光束加热焊料。在流程期间可作为填充焊丝供应焊料，通常是铜或锌合金。由此将焊料熔化并填充接缝。熔液将两个工件接合起来。

激光钎焊工艺按温度可以分为两种：熔化温度高于450摄氏度的激光硬钎焊，主要用于汽车工业的热镀锌；熔化温度低于450摄氏度的激光软钎焊，主要用于生产电子元器件贴片。

汽车生产商也越来越多地转向在车身上使用激光钎焊热浸镀锌钢板，因其比传统的电镀锌更耐腐蚀，从而带来技术和经济上的优势。但由于新的钢板表面特性，激光钎焊靠近接缝处的飞溅物越来越多，一些很难被察觉的细微飞溅物在喷漆后就会暴露出来；另一方面，接缝本身也变得更粗糙，常会显示出所谓的小波纹，如果超量的话就会超出接缝外观可接受的标准范围。

维尔克斯光电提供三光点钎焊技术则能使焊接过程变得平稳，几乎*避免了飞溅物和小波纹的产生。

三光点光纤激光

针对激光钎焊/热镀锌的应用，IPG Photonics公司特别推出了YLS-5000-BR三光点光纤激光器，其采用三根光纤的方法实现三光点输出。主要原理是在主光点前方两侧设有两个面积较小的剥蚀光点，方向与主光点的钎焊方向同向。来自剥蚀光点的局部加热能够有效清洁金属基材，改善钎料的流动，提高焊缝强度、美观度及工艺可重复性。三光点光纤钎焊工艺能够取代传统的非激光钎焊技术，提高加工速度，使工件的热影响区小化，减少对人工清洁的依赖。

三光斑模块

这个是Laserline公司主推的技术。三光斑模块是把一条光束分布成三条光束。一方面，光斑之间的位置可以精确地设置；另一方面，激光功率也可以根据不同的应用需要分配到三个光斑中，包括：(1)能够在主光斑和前光斑之间调节功率分配，(2)也能够在前光斑之间调整功率分配。此外，光斑之间的空间也可以进行调整。

三光斑模块概念相比与市场上的三核光纤来说更为方便实用，它可以被集成在追踪焊缝的旋转轴后面，并且生成的三光斑可以正确地朝向用作跟踪传感器的导线。而如果使用三核光纤，由于会引起工艺不稳定，就得放弃使用旋转轴。此外，如果已经有一台更老的激光系统，装备三光斑模块无疑会是更好的选择，已经安装了的模块也可以轻松更换新的模块。

由于这些优势特点，三光斑模块很快就被运用到汽车制造当中，到2016年10月就已被整合进5种汽车的量产中，更多的订单也已确认。