華中科技大學突破激光焊接技術瓶頸，三維點環光斑系統實現高效高質焊接

    在現代工業制造領域，激光焊接技術憑借其高精度、高速度的優勢，成為航空航天、新能源汽車、高端電子等關鍵領域的核心工藝。然而，傳統激光焊接在面對高功率、厚材料焊接時，氣孔、飛濺等缺陷以及熔深不足等問題一直是行業亟待突破的瓶頸。近日，華中科技大學秦應雄教授團隊在國際期刊《Optics & Laser Technology》發表的最新研究成果，為這一難題提供了創新性解決方案。

    傳統技術瓶頸與三維光場調控的破局之路

    當前，點環光斑激光因優化的能量分布，能有效抑制焊接缺陷，已在鋼、鋁、銅等材料焊接中得到應用。但現有技術依賴多包層光纖定制化激光器，存在內部結構復雜、模式調節成本高的缺陷，且中心高斯模式與外圍環模式焦距相同，僅能實現二維光場調控，無法兼顧焊縫表面質量與深度。

    秦應雄團隊提出的全新技術方案，以常規高斯單模激光器為光源，通過單個非球面反射鏡的外光路整形技術，實現了“三維點環光斑激光”的制備。該技術突破了傳統二維調控的限制，通過自主設計的成環算法與非球面反射鏡，將30-50kW的高斯激光整形為高斯-環復合激光，使中心高斯模式與外圍環模式具備獨立可調的焦距，形成三維光場分布。這種創新設計無需定制化激光器，從根本上降低了設備成本與技術門檻。

    技術核心：非球面反射鏡的光學革命

    該系統的核心在于基于光線傳播原理設計的非球面反射鏡，其具備三大技術優勢：

    精準能量分區調控：反射鏡將入射的高斯激光分為中心區域與外圍區域，中心部分整形為高斯模式光斑，外圍部分整形為環模式光斑，通過功率比、環模半徑、焦距差的自主設計，實現能量分布的精準調控。

    三維光場動態匹配：中心高斯模式與外圍環模式可設置不同焦距，如高斯模焦距300mm、環模焦距295mm，使兩者在焊接過程中形成協同效應——中心負離焦點光斑持續作用于匙孔底部，增加熔深；外圍聚焦環光斑擴大并穩定熔池，促進氣泡逃逸與能量吸收。

    高功率穩定性：反射鏡采用改進的表面設計，在30-50kW高功率激光照射下，仍能保持光束整形特性的穩定性，其能量分布的模擬與實測誤差僅為7%和6.5%，驗證了技術的可靠性。

    實驗驗證：焊接性能的跨越式提升

    研究團隊通過系統實驗驗證了三維點環光斑激光的焊接優勢。在對16mm厚304不銹鋼板的堆焊實驗中，使用8-12kW激光并調節點環功率比與焦距差異，結果顯示：

    熔深顯著增加：當總功率10kW、點環功率比8:2時，三維點環光斑激光的焊接深度較同功率高斯單模激光提升11.0%，較8kW高斯激光提升37.0%。外圍環光斑使焊縫頂部膨脹，中心光斑則推動熔池向下深入，形成“上寬下深”的理想焊縫形貌。

    缺陷有效抑制：環模式光斑穩定熔池的同時，為內部氣泡逃逸提供通道，實驗中氣孔含量明顯降低，焊縫質量顯著提升。

    參數適應性強：通過調整功率比（如5:5、7:3）、環模半徑（0.3mm、0.5mm）等參數，系統可適配不同材料與焊接場景，展現出廣泛的應用潛力。

    工業應用前景：從實驗室到生產線的跨越

    該技術的突破性創新為激光加工領域帶來多重價值：

    設備成本優化：無需定制化激光器，僅通過外光路整形即可實現點環光斑激光制備，設備成本降低50%以上，為中小企業引入高端焊接技術提供了可能。

    工藝效率提升：三維光場調控實現“一次焊接、兼顧深淺”，減少了多層焊接工序，在汽車動力電池極耳焊接、航空航天厚板拼接等場景中可大幅提升生產效率。

    材料適應性擴展：對銅、鋁等高反射率金屬以及異種材料焊接，三維點環光斑激光的能量分布優勢可進一步發揮，拓展了激光焊接的應用邊界。

    目前，團隊已開發出集成多通道水冷與多氣簾設計的激光焊接頭，確保非球面反射鏡在高功率工況下的穩定運行，為技術產業化奠定了硬件基礎。

    場調控技術引領焊接工藝新變革

    華中科技大學團隊的這項研究，通過光學設計創新將普通光纖激光器的性能提升至新高度，實現了從“二維平面調控”到“三維空間優化”的技術跨越。這種基于外光路整形的三維點環光斑激光加工焊接系統，不僅為高端制造提供了關鍵工藝支撐，更揭示了光場調控技術在激光加工領域的巨大潛力。隨著該技術的進一步產業化，有望推動激光焊接工藝在新能源、高端裝備等戰略產業中的深度應用，為“中國制造2025”注入新的技術動能。