华中科技大学突破激光焊接技术瓶颈，三维点环光斑系统实现高效高质焊接

    在现代工业制造领域，激光焊接技术凭借其高精度、高速度的优势，成为航空航天、新能源汽车、高端电子等关键领域的核心工艺。然而，传统激光焊接在面对高功率、厚材料焊接时，气孔、飞溅等缺陷以及熔深不足等问题一直是行业亟待突破的瓶颈。近日，华中科技大学秦应雄教授团队在国际期刊《Optics & Laser Technology》发表的最新研究成果，为这一难题提供了创新性解决方案。

    传统技术瓶颈与三维光场调控的破局之路

    当前，点环光斑激光因优化的能量分布，能有效抑制焊接缺陷，已在钢、铝、铜等材料焊接中得到应用。但现有技术依赖多包层光纤定制化激光器，存在内部结构复杂、模式调节成本高的缺陷，且中心高斯模式与外围环模式焦距相同，仅能实现二维光场调控，无法兼顾焊缝表面质量与深度。

    秦应雄团队提出的全新技术方案，以常规高斯单模激光器为光源，通过单个非球面反射镜的外光路整形技术，实现了“三维点环光斑激光”的制备。该技术突破了传统二维调控的限制，通过自主设计的成环算法与非球面反射镜，将30-50kW的高斯激光整形为高斯-环复合激光，使中心高斯模式与外围环模式具备独立可调的焦距，形成三维光场分布。这种创新设计无需定制化激光器，从根本上降低了设备成本与技术门槛。

    技术核心：非球面反射镜的光学革命

    该系统的核心在于基于光线传播原理设计的非球面反射镜，其具备三大技术优势：

    精准能量分区调控：反射镜将入射的高斯激光分为中心区域与外围区域，中心部分整形为高斯模式光斑，外围部分整形为环模式光斑，通过功率比、环模半径、焦距差的自主设计，实现能量分布的精准调控。

    三维光场动态匹配：中心高斯模式与外围环模式可设置不同焦距，如高斯模焦距300mm、环模焦距295mm，使两者在焊接过程中形成协同效应——中心负离焦点光斑持续作用于匙孔底部，增加熔深；外围聚焦环光斑扩大并稳定熔池，促进气泡逃逸与能量吸收。

    高功率稳定性：反射镜采用改进的表面设计，在30-50kW高功率激光照射下，仍能保持光束整形特性的稳定性，其能量分布的模拟与实测误差仅为7%和6.5%，验证了技术的可靠性。

    实验验证：焊接性能的跨越式提升

    研究团队通过系统实验验证了三维点环光斑激光的焊接优势。在对16mm厚304不锈钢板的堆焊实验中，使用8-12kW激光并调节点环功率比与焦距差异，结果显示：

    熔深显著增加：当总功率10kW、点环功率比8:2时，三维点环光斑激光的焊接深度较同功率高斯单模激光提升11.0%，较8kW高斯激光提升37.0%。外围环光斑使焊缝顶部膨胀，中心光斑则推动熔池向下深入，形成“上宽下深”的理想焊缝形貌。

    缺陷有效抑制：环模式光斑稳定熔池的同时，为内部气泡逃逸提供通道，实验中气孔含量明显降低，焊缝质量显著提升。

    参数适应性强：通过调整功率比（如5:5、7:3）、环模半径（0.3mm、0.5mm）等参数，系统可适配不同材料与焊接场景，展现出广泛的应用潜力。

    工业应用前景：从实验室到生产线的跨越

    该技术的突破性创新为激光加工领域带来多重价值：

    设备成本优化：无需定制化激光器，仅通过外光路整形即可实现点环光斑激光制备，设备成本降低50%以上，为中小企业引入高端焊接技术提供了可能。

    工艺效率提升：三维光场调控实现“一次焊接、兼顾深浅”，减少了多层焊接工序，在汽车动力电池极耳焊接、航空航天厚板拼接等场景中可大幅提升生产效率。

    材料适应性扩展：对铜、铝等高反射率金属以及异种材料焊接，三维点环光斑激光的能量分布优势可进一步发挥，拓展了激光焊接的应用边界。

    目前，团队已开发出集成多通道水冷与多气帘设计的激光焊接头，确保非球面反射镜在高功率工况下的稳定运行，为技术产业化奠定了硬件基础。

    场调控技术引领焊接工艺新变革

    华中科技大学团队的这项研究，通过光学设计创新将普通光纤激光器的性能提升至新高度，实现了从“二维平面调控”到“三维空间优化”的技术跨越。这种基于外光路整形的三维点环光斑激光加工焊接系统，不仅为高端制造提供了关键工艺支撑，更揭示了光场调控技术在激光加工领域的巨大潜力。随着该技术的进一步产业化，有望推动激光焊接工艺在新能源、高端装备等战略产业中的深度应用，为“中国制造2025”注入新的技术动能。