应用案例
虽然光纤激光器被广泛应用于金属焊接和切割加工，但在某些应用中，它们仍无法达到理想的结果。其中，镀锌钢板和铝材的焊接便是两个重要的例子。
过去一些用于消除光纤激光器加工某些特定材料时产生飞溅问题的方法包括：在压力远低于大气压（在毫巴范围内）的工艺腔室内进行激光焊接，或大幅降低进给速率。但是，这些方法最终会降低加工能力，或造成消除光纤激光器固有优势的实际困难。直到最近，还没有一种技术能以非常精确地控制熔池动态的方式传递光纤激光器能量，支持目前已能达到的量产加工能力，并且简便易行。
FL-ARM技术
在某应用实验室，一项深入开发工作已经验证了一种新的解决方案，可实现无飞溅的高速金属加工，它是通过修改工件上激光焦斑的强度分布，使其显著偏离传统的单峰高斯分布来实现的。这项研究表明，由被另一个同心激光环环绕的中心高斯分布焦斑组成的光束，通常能成为一种有效的方法。
利用某开发出的 FL-ARM 环形激光合束器和传输光纤，使这种不同寻常的光纤激光聚焦光斑配置得以成为现实。该光纤采用传统的圆形纤芯，外覆另一层环形截面的光纤纤芯。
FL-ARM 可整合到四个独立的光纤激光器模块中，提供的最大总输出功率可达到 2.5到10kW。无论具体配置如何，在所有情况下，整体光束分布（即中心和环形部分功率）可以根据需要独立调整。此外，中心和环形光束分别采用独立的闭环功率控制系统，这也确保了整体功率调节范围内（标称最大输出功率的 1%到100%）的出色稳定性。纤芯和环形光束甚至可以独立调制，重复频率可高达 5kHz。
在这种布局中（图1），内部光束与外部光束之间的功率比实际上存在无限数量的组合。尽管如此，所有这些组合都大致上可分为几种基础配置。这些基本模式可进行调整，以提供广泛的加工特性，从而以最优方式满足各种应用的需求。
图一
1：简化的 ARM 光纤示意图以及聚焦激光光斑中可能出现的五种基本功率模式。
应用结果
经过调整的光束能在中心和环形位置输出功率，而非形成传统的单一激光光斑。焊接主要由环形光斑完成，其中焊接工艺又分为两个步骤。首先，外环的前缘将工件预热，而进行焊接所需的额外能量则由环形光斑的后缘提供。通过将所提供的激光能量分成两部分并将其分散到更大面积的区域，便可产生更大的熔池，由此降低材料中的温度梯度。所有这些特点都有助于减少飞溅（图2）。
图二
图2：横截面显示了1.25mm 厚镀锌钢板上的焊缝，使用纤维激光器，板材间无间隙，进给速率为3.3 米/分钟，传统激光聚焦形成的焊缝存在空隙（a），而采用FL-ARM 技术则可形成出色的无孔隙均匀焊缝（b）。
同时，中心焦斑能够维持深熔孔（在比边缘更低的温度下），以方便将熔融材料推向侧面。这样使得气化的锌很容易地通过中心排出，即使零件采用零间隙的方式夹持在一起时也不会产生任何飞溅。
此外，由于环形光束是旋转对称的，所以无需跟随焊缝的方向来调整光束方向，而在弧形或其他形状的工件上，焊缝的方向变化往往较为显著。因此，这种方法可以显著简化工艺流程。
在这种应用中，通过采用 FL-ARM 激光器成功进行深熔焊接，从而实现无材料变形的高强度焊接。同样，其中心和环形部分的光束功率均可配置。
图三
图3：两个1.6mm 厚的5000 系列铝部件堆焊焊缝横截面显示深熔透，无孔隙或飞溅。
方法是有效的，因为环形光束的前缘将铝的温度提升到足够高，以增加其在激光波长上的吸收能力。随后，光束的中心产生深熔孔，由于经过预热，熔孔非常稳定。环形光束的后缘对熔池提供充分支撑，让气体逸出。由于熔孔稳定，材料不易快速凝固，促使整个工艺更加一致，工艺窗口也更大。最终结果（图3）是实现均匀一致的材料渗透和更高质量的无气孔、无飞溅焊缝。
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