光束整形技术在金属激光增材制造中的应用与前景

    在现代制造业中，激光增材制造技术因其高精度、灵活性和自动化程度而受到广泛关注。特别是在汽车、医疗、航空航天等领域，激光增材制造被广泛应用于制造关键部件，如火箭燃料喷嘴、卫星天线支架和人体植入物等。然而，传统高斯光束在激光增材制造中的应用存在一些局限性，如熔池温度梯度大、稳定性差，容易产生孔隙和粗大晶粒，从而降低零件的力学性能和产品疲劳寿命。光束整形技术应运而生，为解决这些问题提供了新的思路和方法。

    一、光束整形技术的背景与重要性
    （一）传统高斯光束的局限性
    高斯光束是激光束在自由空间传播时的一种典型模式，其电场强度分布遵循高斯函数形式。在激光增材制造中，传统高斯光束的能量呈中心高、边缘低分布，导致熔池温度梯度大、稳定性差，容易产生孔隙和粗大晶粒，降低零件的力学性能和产品疲劳寿命。此外，高斯光束的能量利用率低、工艺窗口狭窄，限制了产品生产效率与质量优化。
    （二）光束整形技术的兴起
    光束整形技术通过调制激光束的能量分布，精准调控熔池温度与流动行为，可有效抑制孔隙、飞溅等缺陷，提高能量利用率及打印质量与效率。这项技术不仅为产品设计带来了更大的选择空间，还有力推动了金属激光增材制造技术的发展，成为解决传统高斯光束难题、满足高端制造需求的关键技术与路径。

    二、光束整形技术的原理与方法
    （一）非球面透镜组整形
    非球面透镜组整形依据能量守恒定律构建输入-输出光线映射函数，实现激光束能量的再分配。这种方法的优势在于能量利用率高、耐高温性能卓越，特别适合大功率激光束的整形需求。然而，它对输入激光光强的稳定性要求较高，光强波动容易干扰整形效果。
    （二）液晶空间光调制器整形
    液晶空间光调制器通过控制液晶分子的双折射与扭曲向列效应，灵活调控输入光束的相位及幅度。通过精准编程改变电压，可以实时动态调控多种光斑形状，如方形、环形、星形等，以满足复杂零件加工对光斑形状的定制需求。这种技术的特点是可以用于动态光束整形，与静态光束整形技术相比，能够更好地满足复杂零件的加工需求。
    （三）微透镜阵列整形
    微透镜阵列整形的核心系统由微透镜阵列结构与聚焦透镜组成，针对多模激光束，能有效重新分配光束强度，优化输出光束的均匀性，确保加工能量分布均匀稳定。不过，这种方法的系统复杂度与制造成本显著提升，在成本敏感的应用场景中可能会受到限制，需要在性能与成本之间进行权衡。
    （四）衍射光学元件整形
    衍射光学元件整形基于衍射理论设计的纯相位型调制元件。元件设计过程是已知入射光场与目标光场复振幅分布，通过衍射传输理论，求解需要补偿的衍射相位。通过刻蚀的方式将求解的衍射相位添加到一定厚度的光学元件上，当光束通过整形DOE时，实现光束的波前变换，达到整形目的。在金属焊接领域，这种方法表现卓越，可优化铝合金焊接熔池的稳定性、减少焊接缺陷、提升表面质量，推动了焊接工艺的升级。

    三、不同光束能量对熔池的影响
    （一）椭圆光束
    椭圆光束由圆形高斯光束整形而来，分为纵向与横向椭圆光束。纵向椭圆光束加热时间长、效率低，但熔池稳定，有利于晶粒生长；横向椭圆光束效率高、晶粒细化，但熔深浅、冶金结合力弱。二者能量梯度低，均有利于减少飞溅、稳定熔池，相比高斯光束更易生成等轴晶，从而提高零件的性能。
    （二）平顶光束
    平顶光束的能量均匀分布，能大幅减小熔池温度梯度，促进晶粒生长与能量的高效利用。这种光束可以提高打印效率、零件密度与表面质量，抑制金属蒸发与飞溅。然而，平顶光束在光束传输中形状难以保持，且均匀分布的范围较窄。
    （三）贝塞尔光束
    贝塞尔光束具有点-环光强分布，中心光斑无衍射、焦深长、具有自修复特性。这种光束可以形成深窄熔池，增强层间连接，减少缺陷，有利于生成等轴晶，从而提升零件的质量。
    （四）逆高斯光束
    逆高斯光束的能量中心低边缘高，呈环形分布。形成的熔池较浅，经历两次加热冷却过程，降低了粉末未熔的风险，但同时也减弱了层间连接。

    四、光束整形技术的应用与前景
    光束整形技术在金属激光增材制造中的应用已经取得了显著的进展。通过调制激光束的能量分布，可以有效改善打印效率和质量，满足高端制造的需求。未来，随着技术的不断发展，光束整形技术有望在以下几个方面取得更大的突破：
    （一）多光束形状的应用：实现金属激光增材制造中多光束形状的动态切换，以适应不同材料和复杂结构的加工需求。
    （二）动态光束整形：开发更加灵活的动态光束整形技术，实时调整光束形状和能量分布，进一步提高加工质量和效率。
    （三）集成化与自动化：将光束整形技术与激光增材制造系统高度集成，实现自动化控制，提高生产效率和产品质量的一致性。
    （四）新材料与新工艺的结合：探索光束整形技术与新材料、新工艺的结合，拓展激光增材制造的应用领域，如生物医学、电子制造等。

    光束整形技术在金属激光增材制造中的应用前景广阔。通过解决传统高斯光束的局限性，光束整形技术不仅提高了打印效率和质量，还为高端制造提供了新的解决方案。随着技术的不断进步，光束整形技术将在更多领域发挥重要作用，推动激光加工技术领域的持续发展。