近日，德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）焊接与连接研究所联合以色列 Civan Lasers，基于相干光束组合（CBC）激光系统开展专项研究，系统揭示了动态光束形状与调制频率对奥氏体钢（1.4301）和双相不锈钢焊接质量的影响规律。相关成果发表于《Applied Sciences》，为高精度激光焊接工艺优化提供了重要技术支撑，尤其对化工、核电、高端装备等领域的不锈钢焊接具有直接指导意义。
一、核心研究方案：聚焦 “形状 - 频率 - 性能” 关联
本次研究以 4mm 厚的奥氏体钢（易出现热裂纹）和双相不锈钢（对相变敏感）为对象，采用 Civan 高功率单模连续波（CW）动态光束激光（波长 1064nm，功率 6kW，焊接速度 2m/min），重点测试 3 类光束形状与 3 种调制频率的组合效果：
光束形状：点型（CW 连续焊接）、回旋镖型（动态振荡）、LPL（线-点 -线复合形状）；
调制频率：1kHz、10kHz、100kHz；
观测手段：10000-100000 帧 / 秒高速摄像（捕捉毛细孔动态）、MATLAB 图像分析（毛细直径 / 倾角量化）、金相截面（焊缝几何与微观结构表征）。
二、关键技术突破：三大核心发现重塑焊接认知
1. 光束形状决定焊缝几何 “骨架”
点型光束：能量高度集中，形成深而窄的穿透型焊缝，双相钢与奥氏体钢均实现全熔透，适合对熔深要求高的场景；
回旋镖 / LPL 光束：能量分散于更广区域，焊缝浅而宽，可减少热输入集中导致的裂纹风险，其中 LPL 因 “线预热 + 点熔深” 复合作用，兼顾焊缝宽度与局部熔深。
2. 调制频率调控焊接稳定性与熔深平衡
10kHz 为 “黄金频率”：相比 1kHz，高频振荡使熔池控制更精准，焊缝稳定性提升的同时，熔深未明显下降（双相钢熔深维持 2.5-3mm）；
100kHz 触发 “模式切换”：高频下光束与材料作用时间缩短，能量均匀化导致焊缝宽度增加 30%，熔深略有降低（约 2mm），从深熔焊向传导焊过渡，适合薄壁件焊接；
高频需避坑：奥氏体钢采用回旋镖型 + 10kHz 时，易因毛细孔不稳定产生气孔，需搭配工艺参数微调。
3. 毛细孔动态与光束频率 “同频共振”
高速摄像与 FFT 分析证实：毛细孔的开合频率与光束调制频率高度一致（1kHz 光束对应～993Hz 毛细振荡，10kHz 对应～9886Hz），说明光束动态直接主导能量吸收效率；
倾角规律：1kHz 时毛细孔壁接近水平（倾角 0°），利于垂直熔深；10-100kHz 时毛细孔壁向前倾斜（60°-90°），通过多次菲涅尔反射增强能量吸收，拓宽熔池范围。
4. 微观结构可通过 “形状 - 频率” 定制
奥氏体钢：频率升高使冷却速率降低，晶粒逐渐粗化（100kHz 回旋镖型晶粒边界面积占比仅 11.51%，低于点型的 21.74%）；
双相钢：高频（100kHz）促进铁素体生成，奥氏体相占比从点型的 28% 降至 20.6%，需通过低频（1kHz）或 LPL 形状平衡相组成（LPL 100kHz 可保留 17.3% 晶粒边界，细化组织）。
三、行业价值与未来方向
该研究首次量化了 CBC 激光 “动态光束形状 + 高频调制” 对不锈钢焊接的协同作用，其核心价值在于：
为不锈钢焊接提供 “按需定制” 方案：深熔透选点型 + 1kHz，防裂选 LPL+10kHz，薄壁件选 100kHz，覆盖多场景需求；
验证 CBC 技术优势：无需机械镜片即可实时切换 14 种光束形状，最高 80MHz 调制频率，远超传统激光的静态光束能力；
后续方向：结合 EBSD（电子背散射衍射）、TEM（透射电镜）深化微观机理，开发 “光束参数 - 残余应力 - 力学性能” 预测模型，进一步拓展至铜、铝等难焊材料。
关键数据速览
指标 | 点型（CW） | 回旋镖型（10kHz） | LPL（100kHz） |
奥氏体钢熔深 | 3.5mm | 3mm | 2.2mm |
双相钢奥氏体相占比 | 28% | 21.5% | 22.3% |
毛细孔平均直径 | 3mm | 2.2mm | 2.5mm |
晶粒边界面积占比 | 21.74% | 15.80% | 17.32% |
（来源：《Applied Sciences》2025, 15, 9432；研究团队：RWTH 亚琛大学 Karthik 等，资助机构：德国研究基金会 DFG）
