图1纯铜基准几何图（左），99.98%致密样品的显微切片（右），LPBF纯铜的显微结构（插图右上）。

如今，功率从几瓦到多千瓦的激光源为许多领域的广泛应用提供了制造解决方案：汽车、交通、航空和航天、能源、工具和模具、石油和天然气、医疗等。基于现代生产中的高技术成熟度和经验证的经济效益，科学家和工程师们仍在不断努力开拓激光加工的新领域。本文重点介绍了最新的成就、趋势和新的应用领域。

动态激光束成形可以缓解易裂纹材料的焊接问题，并开辟了新的应用领域，例如在电子移动性方面。新开发的压电驱动致动器正在取代现有的振镜驱动2D扫描光学元件。允许在三个空间方向上操纵光束，这些新的执行器提供了广泛的多参数处理矩阵。虽然2D扫描已经需要深入的工艺理解，但如果焊接使用新的激光系统，如具有高强度光束调制的相干光束组合，则更为重要。

图2激光焊接过程中，通过AlMg3中的动态光束成形，对熔池内气体体积的形成和脱气进行X射线成像。

图3实验装置包括激光电缆（1）、带碰撞的模块化焊接头、聚焦装置和集成x-y扫描仪（2）、带样品架的旋转台（3）、狭缝/快门（4）、高分辨率显微镜（5）和Gigafrost相机（6）。

使用新开发的X射线断层扫描装置（图3）研究焊接过程中激光束与熔池之间的相互作用。高速X射线成像显示了振荡锁孔在高扫描频率下逐步脱气的效果，如图2所示。结果表明，在铝压铸材料焊接过程中，梁成形具有稳定作用。此外，二维光束成形对熔池移动和焊缝缺陷的形成有影响。目前的研究主要集中在对焊缝质量和加工相关熔池特性之间相互作用的基本理解。将缺陷的形成与熔体流动联系起来，对工业应用具有重要意义。

高速激光切割

单模光纤激光器的功率水平为5千瓦以上，一般可实现薄金属的高切割速度。由于在二维和三维零件轮廓切割的情况下，机器运动学和动力学通常是限制因素，因此只有线性切割才能实现高切割速度。这里的目标是用快速激光切割代替带状材料的机械剪切切割。激光纵切的优点显而易见：无刀具磨损、无加工时间，以及对高强度钢和铝、铜等“软”金属的技术优势。为了经济地加工电工钢，必须达到至少200 m/min的切割速度。对工艺窗口（即激光功率、焦点位置、喷嘴间距和气体压力）进行评估后，将结果转换为配备2 kW单模光纤激光器的试验纵切线机。因此，以200 m/min的进给速度成功切割了1 km厚270µm的电工钢。在先进工艺研究中，我们通过5 kW单模光纤激光器以高达500 m/min的速度切割了230µm厚的晶粒取向电工板。图4显示了不同光学设置和功率水平下300µm厚电工钢的切割质量。值得注意的是，可以完全避免板材下侧的毛刺。

图4不同光学和电源设置的切割质量。

用于弹药处理和拆卸的激光

激光切割技术于1978年问世，被认为是弹药处理工业中一种成熟的工艺。激光的独特特性吸引了它们在特殊用途上的应用。例如，Fraunhofer IWS使用激光拆除弹药（图5）和核电站。使用弹药时，有必要分离金属和化学成分。必须打开密封金属盖以移除化学核心。显然，必须防止化学物质的活化，以避免危及生命的爆炸。激光参数的可控性、在水下工作的可能性以及远程控制的能力决定了激光是完成这项任务的完美工具。遥控器和其他USPs也让拆除核电站变得有趣。与目前使用的等离子切割相比，使用激光的熔融材料体积减少到十分之一，这也将核污染粉尘减少到十分之一。最新的研究表明，厚混凝土块可以可靠地分离成确定的碎片，然后可以进行中间和最终的存储。这里使用的激光装置与金属切割相同，但采用了新的工艺制度。

图5打开火箭筒导弹。

自从20世纪80年代末出现了一种工具(“锋利”、力和接触自由、极好的可控性、已知的最高强度和可扩展性)以来，晶粒取向硅钢的激光处理已经被用于改善其磁性能。然而，新的需求需要耐热或永久性结构。深度约为10微米且尽可能窄的凹槽可产生所需的磁畴细化。激光远程处理、领域细化和系统工程知识的结合，使高效、高通量工艺的技术开发和设备设计成为可能。高亮度激光辐射、特定聚焦设置和内部开发的基于扫描仪的偏转元件布置用于去除硅钢，以形成所需的凹槽。除了物料处理（移动工作台而不是连续的线圈进料），该设备模拟真实的生产条件。深度为20µm的凹槽可以以高达50 m/s的扫描速度进行划线。多束激光的同步能够扩大规模并提供相关的生产能力。

测试系统不限于激光域细化（图6）。表面去除、大面积热处理和进一步的高性能工艺已经应用于使用各种激光源，并可根据客户要求提供。

图6激光域细化测试系统

纯铜的增材制造

用AM制造复杂零件已不再是一种奇特的技术。它已经在各个行业甚至消费者应用中建立起来。然而，对于铜零件来说，这还不是真的。作为热应用和电气工程的关键材料，铜是无数部件的重要元素，在过去200年中为快速技术发展做出了重大贡献。由于其对常用红外激光辐射的低吸收，纯铜零件的AM尤其具有挑战性。即使使用铜合金有助于解决这个问题，合金元素也会大大降低材料的固有电气和热性能。基于激光源和调幅技术的新发展，Fraunhofer IWS已成功使用两种不同的基于激光的调幅工艺制造纯铜零件，每种工艺都具有特定的优势。

激光粉末床聚变（LPBF）可以使用众所周知的LPBF技术制造具有功能集成（如内部冷却通道）的高分辨率复杂形状零件。冷却通道对于由纯铜制成的高效热交换器具有巨大的潜力。提高激光功率是一种选择，使粉末能够选择性熔化，以克服通常使用的红外激光光源的吸收差。然而，这也显示了一些具体的缺点，例如整体效率低，由于高能输入而成球，以及由于激光的大背向散射而可能损坏光学系统。切换到波长为515 nm、吸收更高280%的绿色激光光源，整体效率更高。此外，这导致完全致密的部分(99.95%相对密度)具有非常好的导电性(>100%IACS，国际退火铜标准)。

图7使用绿色激光器制作多材料模具嵌件的LMD（纯铜/钢1.2764）。

激光金属沉积（LMD）

十多年来，LMD一直是一种成熟的金属部件涂层和修复技术。使用1 千瓦绿色激光源和专用加工头，可以制造基板上的纯致密铜零件以及复杂的半成品。与基于粉末床的增材制造相比，LMD使混合制造(增材、减法)方法和多材料工艺在新的维度上得以实现。各种粉末可以在现场应用、交换和混合，以获得具有局部调整材料特性的多材料成分。该方法最近被应用于通过局部实现铜特性显著提高模具镶件的性能，并实现缩短周期。

高功率激光熔覆

激光熔覆在工业上被广泛用于精确地应用定制的表面涂层和三维沉积物，用于金属零件的修复和增材制造。然而，由于沉积速率通常较低，较大部件的加工，如石油和天然气生产工具、造纸工业或农业用工具，在经济上具有挑战性。现代大功率半导体激光器为大面积激光熔覆或增材制造提供了实用的解决方案，大大提高了生产率。

在IWS，20千瓦功率的激光线光纤耦合二极管激光器已被应用十多年，以开发具有竞争力的涂层解决方案。使用该技术获得的沉积速率等于甚至超过了普通PTA技术的典型值，同时带来了显著的优势，如减少热影响区、低变形和节省材料资源。多年来设计了多个同轴粉末喷嘴，以应对不同的工业挑战，例如使用环形间隙或多个粉末流，产生一个圆形斑点或一个矩形斑点，轨迹宽度从30µm到45 mm。

一旦设备的初始投资已摊销，原料成本在优化激光熔覆工艺中起着至关重要的作用。这种效果可以通过最大限度地提高沉积效率来抵消，可以使用更便宜的原料(€/kg)，或者理想情况下两者都可以。

图8采用COAXquattro的高功率激光线熔覆可用于多个组件的资源高效涂层。左边是轴涂层过程中断的细节。除了同时送四根电线外，喷嘴还可以同时或独立处理粉末（右侧喷嘴尖端的细节）

虽然大功率粉末激光熔覆是一种工业上已确立的涂层技术，但目前还没有已知的线基工艺的高生产率解决方案。为了缩小这一差距，探索使用金属丝作为原料的日益增长的优势，Fraunhofer IWS开发了一种用于涂层和增材制造的高功率、高生产率激光熔覆金属丝的新型喷嘴。COAX-quattro同时将四根导线送入熔池，在相同材料的功率基工艺范围内达到相同的沉积效率。此外，可以喂入不同成分的金属丝，也可以同时添加粉末颗粒。这为原位合金化和成本效益高的新硬质合金涂层和增材制造提供了新的可能性。与粉末工艺相比，使用金属丝作为原料具有原料价格较低（约为粉末的三分之一到一半€/kg）以及100%沉积效率的优势。因此，该工艺更清洁，同时，处理和储存材料所需的预防措施更少。

温度场控制激光淬火

激光硬化已成为能源转换（汽轮机）、汽车（车身工具和模具、发动机部件）和机械制造等行业的常用硬化方法。与使用传统热源（如熔炉、燃气燃烧器或感应线圈）的硬化技术相比，激光是一种非常精确的工具，能够以最低的能耗进行高效和局部的表面硬化。由此产生的硬化零件的低变形降低了精加工操作的成本和工作量，并提供了缩短加工链的巨大潜力。通过使用自淬火效应，激光淬火过程无接触、清洁，并且易于集成到生产线中。通过热成像系统或高温计自动控制硬化温度，确保硬度区的高质量。

在加工极其复杂的零件几何图形时仍然存在局限性。激光强度场必须与局部热流条件相匹配，以便在加热表面的每个位置产生正确的硬化温度和激光相互作用时间。这只能通过使用动态光束整形系统来实现，因为固定的、基于透镜的光学系统只能提供固定的强度分布。如果在加工过程中横截面的形状发生变化，并且零件受热，这一点尤其困难。如果在加工过程中截面形状发生变化，且工件发热，则尤为困难。

图9具有复杂表面几何形状的演示器，采用TFC系统从左至右在一条连续轨道上进行激光硬化，轨道宽度45 mm（左）；新TFC激光头的3D图（右）。

Fraunhofer IWS开发了一种潜在的技术解决方案：一种称为温度场控制（TFC）的先进激光处理系统，通过将激光扫描技术、温度测量与热相机（“E-MAqS”）和高速高温计（“E-FAqS”）以及多参数控制相结合，实现均匀热处理。在激光加工过程中，激光扫描功能被调整，激光功率被实时调整，以保持温度场恒定在最佳水平。为了补偿典型的温度偏差，控制器的循环时间必须降至50微秒。十多个控制器模块同时工作，以保证温度场的良好均匀性。TFC系统能够以一种新的节能方式并使用精益生产链生产零件。

来源：Photonics Views - 2021 - Leyens - Laser processing  solutions for industry, DOI:10.1002/phvs.202100065