引言
激光加工技术（淬火、切割、深熔焊等）已成为工业制造的核心支撑，广泛应用于汽车电动化、高端装备制造、增材制造等领域。随着激光平均功率从 2005 年的数千瓦跃升至 2022 年的 100kW 以上，以及高强度合金、铝铜复合材等新型材料的普及，激光加工面临着更严苛的质量挑战 —— 厚材切割的条纹与熔渣、高速焊接的气孔、飞溅、热裂纹等缺陷，成为制约产品合格率的关键瓶颈。
静态光束整形技术虽能部分改善加工效果，但难以适配复杂动态的加工过程。而动态光束整形（Dynamic Beam Shaping） 与动态光束激光器（DBL, Dynamic Beam Lasers） 的出现，通过高速调控光束时空强度分布，为激光加工的确定性控制提供了全新路径。本文基于Preprints.org发布的前沿研究（2026 年 1 月 29 日上线），系统解析 DBL 技术的核心原理、解决方案及实验验证，为工业界提供可落地的技术参考。
一、核心概念：动态光束整形与三大频率域
1. 光束整形与过程修改分类
光束整形本质是对激光束的时空强度分布、偏振态进行操控，分为静态与动态两类：
· 静态光束整形：光束参数（强度分布、偏振）不随时间变化，适用于简单稳定的加工场景，但对动态缺陷（如瞬时气孔）调控能力有限。
· 动态光束整形：通过 DBL 技术实现光束形状的快速切换或光点高速扫描（最高 80MHz），可实时适配加工过程的动态变化，是解决复杂缺陷的核心手段。
过程修改对应分为静态（参数恒定）与动态（参数随时间变化），其中周期性动态过程修改是 DBL 技术的核心应用场景，其效果取决于光束整形频率与加工特征频率的匹配关系。
2. 三大频率域：确定性控制的关键逻辑
研究提出，基于 “光束整形频率（fₓ）” 与 “加工特征频率（fᵠᵢ）” 的相对关系，可划分三大频率域，直接决定加工缺陷的调控效果：
注：加工特征频率（fᵠᵢ）是指缺陷产生的固有频率，如气孔源于小孔坍塌，其特征频率由材料特性、加工参数决定（钢约 1kHz，钛约 250kHz）。
二、DBL 技术核心特性：高速、灵活、高功率
1. 技术原理
DBL 通过相干合成光纤激光，利用电光调制器（EOM）以最高 80MHz 的频率快速扫描光点，在焦点平面形成任意时间平均光束形状。其核心是将单一高强度光点快速序列化为复杂形状（如螺旋、沙漏形、方形），且平均功率可突破 100kW，兼顾加工效率与调控精度。
2. 关键参数与优势
DBL 的核心优势在于：① 可独立调控光束形状与频率，适配多材料、多工艺场景；② 光点强度均匀性高，避免局部过热导致的二次缺陷；③ 支持焦点快速偏移（12.5ns 响应），适配复杂工件几何。
3. 典型光束形状示例
（图 1：DBL 生成的典型光束形状。a）9 点位方形（Nₚₒₛ=9，Nₛₚ=9）；b）中心强化方形（Nₚₒₛ=9，Nₛₚ=11）；c）螺旋形（Nₚₒₛ=45，Nₛₚ=45）；d）沙漏形（Nₚₒₛ=55，Nₛₚ=55）。其中螺旋形、沙漏形可有效拓宽焊接小孔，抑制气孔形成。）
三、确定性解决方案：四步法 + DBL 解决方案矩阵
针对激光加工的各类缺陷，研究提出 “四步法 + 解决方案矩阵” 的确定性控制框架，实现从缺陷成因到参数优化的全流程闭环：
1. 四步解决流程
第一步：识别缺陷成因
通过成像技术（如 X 射线高速成像）解析缺陷产生的动态机制。以铝镁硅合金焊接气孔为例（3.4kW 功率、4m/min 进给速度），气孔形成流程为：窄小孔→中部鼓胀→蒸汽流动导致收缩→小孔坍塌→气泡残留→凝固形成气孔，其特征频率为 70Hz（完整周期 15ms）和 500Hz（鼓胀 - 收缩周期 2ms）。
（图 2：铝镁硅合金焊接气孔形成的 X 射线序列图（总时长 250μs），绿色区域为小孔及气泡。a）窄小孔初始状态；b）中部鼓胀；c）收缩阶段；d）小孔坍塌与气泡形成；e）气泡残留；f）小孔重建。）
第二步：确定解决方案
针对缺陷成因制定核心策略。如气孔源于窄小孔坍塌，解决方案为 “拓宽小孔并保持其稳定性”，避免蒸汽流动导致的压力失衡。
第三步：选择适配光束形状与参数
选择能实现核心策略的光束形状（如螺旋形、沙漏形），并确定关键参数：① 光束直径需为焦点直径的 3 倍以上（如焦点 680μm 时，螺旋直径≥2mm）；② 光点强度需超过材料深熔焊阈值。
第四步：确定频率域与加工响应
通过实验匹配最优频率域。例如针对 70Hz 特征频率的气孔，推荐直接域（fₛᵣ≤7Hz）、特征域（fₛᵣ≈70Hz）或准静态域（fₛᵣ≥700Hz）的参数组合。
2. DBL 解决方案矩阵（以气孔抑制为例）
注：fₛᵣ为形状刷新频率，fₛd 为形状切换频率；绿色标注为优先验证参数，需满足光点频率 fₛₚ≤80MHz（DBL 硬件上限）。
四、实验验证：压铸铝焊接气孔抑制案例
为验证 DBL 技术的实际效果，研究团队以压铸铝焊接为对象（易产生大量气孔）开展实验，核心参数如下：
· 激光配置：DBL-14kW 激光器，螺旋形光束（45 个光点，直径 610μm）；
· 加工参数：功率 2.8kW，进给速度 0.2m/s，焦距 1m（单光点直径 91μm）；
· 测试变量：形状刷新频率 fₛᵣ（10kHz~500kHz）；
· 检测方法：金相切片 + ImageJ 软件分析，精准测量气孔率（最小可检测数微米级气孔）。
实验结果
（图 3：压铸铝焊接气孔率随形状刷新频率变化曲线。误差棒为 3 组平行实验的极值范围，顶部标注三大频率域。）
实验关键结论：
1. 压铸铝焊接气孔的特征频率为 75±25kHz，与铝镁硅合金的气孔形成机制存在显著差异；
2. 直接域（fₛᵣ≈20kHz）与准静态域（fₛᵣ≈500kHz）均能有效抑制气孔，气孔率较传统加工降低 60% 以上；
3. 直接域（20kHz）的误差棒更小，加工稳定性更优，其核心原因是低速刷新的螺旋光束让小孔有充足时间排气，避免气泡残留。
此外，当进给速度提升时，可通过两种方式保持调控效果：① 增加螺旋直径（更换长焦距透镜）；② 同步提高形状刷新频率，确保光束扫描与工件移动的动态匹配。
五、应用场景拓展
DBL 技术的确定性控制逻辑可拓展至多类激光加工场景：
1. 铜 Hairpin 焊接：通过 “四点形状 + 随机点分布” 切换，实现无气孔焊接，适配新能源汽车电机绕组制造；
2. 厚钢板焊接：切换 “中心点 + 垂直曲线” 光束形状，抑制热裂纹与飞溅，满足工程机械厚板连接需求；
3. 增材制造（PBF-LB）：动态调整光束形状适配粉末熔化节奏，减少孔隙与变形；
4. 铝铜复合材焊接：通过频率域匹配，缓解两种材料热导率差异导致的熔池不稳定问题。
六、总结与展望
动态光束整形（DBL）技术通过 “频率匹配 + 形状定制” 的核心逻辑，突破了传统激光加工 “被动适应” 的局限，实现了缺陷的 “主动抑制”。其三大频率域的划分与四步法解决方案，为工业界提供了可系统落地的技术框架 —— 无需依赖经验试错，即可通过 “识别成因→制定策略→选择参数→验证优化” 的闭环，高效解决气孔、飞溅等核心缺陷。
实验验证表明，DBL 技术在压铸铝焊接中可实现气孔率显著降低，且适配多材料、多工艺场景，具有广阔的工业化应用前景。未来随着 DBL 硬件成本的降低与标准化数据库的建立，其将进一步赋能激光加工的智能化升级，推动 “确定性制造” 在高端装备领域的普及。
文章来源
· 原文标题：Guide to a Deterministic Control of Laser Materials Processing with Dynamic Beam Shaping
· 作者团队：Rudolf Weber（斯图加特大学 IFSW 研究所）、Ami Spira（Civan Advanced Technologies）等
· 发布平台：Preprints.org（开放获取平台，论文收录于 Web of Science、Crossref 等数据库）
· DOI：10.20944/preprints202601.2251.v1
· 发布日期：2026 年 1 月 29 日（非同行评审版本，最新研究进展）
