摘要：激光粉末床熔融（L-PBF）技术在航空航天和汽车工业中被广泛用于金属构件的制造。L-PBF 工艺通过激光源对金属粉末进行快速熔化和凝固，以生产高密度零件。大多数工业级 L-PBF 系统采用光纤激光源，其输出光束呈高斯分布。然而，L-PBF 工艺中使用的传统高斯

长三角G60激光联盟导读

Graphical Abstract：本文全面涵盖并呈现了激光束整形在激光粉末床熔融中应用的当前研究趋势，深入探讨了光束整形应用的机遇、挑战、局限性及未来前景。此外，还介绍了用于调制激光光束轮廓的方法和技术，包括空间调制和时间调制。

增材制造（AM）作为一项颠覆性技术，为工业 4.0 的实现提供了支撑 [1, 2]，被视为一种具有前瞻性的制造方法。与传统制造方式（如减材制造和成形制造）不同，增材制造无需通过去除材料或使材料变形的工装流程来生产零件 [3]；相反，它直接根据 CAD 模型以逐层累加的方式制造构件，从而显著降低生产成本、缩短生产时间并减少材料浪费 [4, 5]。此外，增材制造还突破了传统制造的局限，使制造商能够生产具有高度几何复杂性的零件，例如多孔结构或晶格减重结构 [6, 7]。增材制造工艺因能源类型（如电子束、激光、电弧等）、材料类型（金属、陶瓷、聚合物和复合材料）以及工艺布局（如粘结剂喷射、粉末床熔融和材料喷射）的不同而有所差异 [3]。

激光粉末床熔融（L-PBF）是一种增材制造工艺，其通过激光能源选择性地熔化或烧结粉末床的特定区域 [3]。该工艺利用激光源将铺展在构建平台上的金属粉末薄层快速熔化并凝固，从而生产出全致密的自由几何形状零件 [5, 8]，这类零件具有细晶粒和优良的力学性能 [9, 10]。

在 L-PBF 中，激光束的特性对制成零件的质量和性能起着至关重要的作用。激光束形状指激光能量在其横截面上的空间分布，它会影响熔池几何形状、热梯度和凝固行为。传统的高斯激光束形状在 L-PBF 系统中应用广泛，其名称源于其强度分布类似高斯曲线或正态曲线。这种光束形状是某些激光系统（如光纤激光器）所固有的，光纤激光器因其可靠性高且光束质量好（M²≅1）而常用于 L-PBF 设备中。高斯光束具有出色的光束质量、低发散性和高空间相干性，使其成为 L-PBF 等精密激光加工应用的理想选择。然而，随着 L-PBF 技术的发展以及对更高生产效率和更优零件质量的需求日益增长，传统高斯光束的局限性愈发明显，包括在 L-PBF 过程中产生局部过热、蒸发、球化和飞溅 [11-16]。这些局限性源于光束中心的峰值强度，导致陡峭的热梯度、凝固速率以及无缺陷制造的工艺窗口受限。因此，激光束形状直接影响熔池尺寸（即宽度和深度）、工艺稳定性、生产效率、制成零件的力学性能、表面粗糙度和微观结构 [11, 12, 14, 17-25]。

为克服高斯光束形状的相关局限性，研究人员已探索在 L-PBF 中应用替代光束形状 [11-47]。这些替代光束形状旨在减轻高斯光束的缺点，提升 L-PBF 工艺的性能 [48, 49]。通过调整激光束强度或热分布，原本为其他相关激光基工艺（如激光焊接（LW）[50-54]）提出的不同光束形状，其在 L-PBF 中的潜在优势已得到研究。在激光焊接中，激光束形状的配置对焊缝质量、热输入和工艺整体性能的显著影响已得到充分证实 [50-62]。由于激光焊接与 L-PBF 工艺具有相似性，且研究成果可迁移至 L-PBF 工艺 [63, 64]，因此替代光束形状在激光焊接及相关工艺中的应用研究成果具有重要价值。为此，本综述简要探讨了替代光束形状对焊接特性的影响，例如激光焊接及相关工艺中的焊缝深度和宽度。

本综述的结构如下：第 2 节讨论激光束整形技术；第 3 节深入分析激光束整形在 L-PBF 中应用的相关文献；第 4 节简要探讨光束形状调制对激光焊接及其他相关工艺的影响。本研究旨在探究不同光束形状如何影响熔池尺寸（即宽度和深度）、工艺稳定性、生产效率、制成零件的力学性能、表面粗糙度和微观结构。通过理解替代光束形状在 L-PBF 中的作用，研究人员可优化增材制造工艺，实现零件质量和效率的提升。此外，第 5 节讨论激光束整形在 L-PBF 中应用的挑战、局限性和未来前景，第 6 节总结本综述的研究成果。

光束整形技术是控制激光束辐照度分布或空间分布的技术 [65-68]。这些技术旨在将输入光束的强度分布修改为所需的模式或形状，例如均匀光束、准直光束和环形光束（见图 1）。光束整形应用于多种领域，包括激光切割 [69-71]、钻孔 [72-74]、焊接 [50, 52, 58] 和激光增材制造 [11-47]。在许多此类应用中，塑造光束轮廓的能力对于实现最佳性能和精度、减少能源浪费以及最大限度降低附带损伤至关重要。这些目标通过两种不同的方法实现，即空间光束整形和时间光束整形。空间光束整形指静态或动态地修改光束轮廓上激光强度的空间分布，而时间光束整形则涉及调控激光脉冲的时间特性，如脉冲持续时间、频率或时序。

Figure 1

A typical beam shaping system demonstrating the conversion from a Gaussian to a donut beam shape using an axicon lens.

静态光束整形指利用固定光学元件修改激光束特性的技术。“静态” 意味着光束整形配置在运行过程中保持不变。多种静态光束整形技术已实现商业化应用，为便于理解，本文将其分为三大类 [65, 66]：1）孔径法；2）场映射法；3）均匀化或积分法。此外，它们也可分为相干技术和非相干技术 [75]，这一分类不在本文讨论范围内。

基于孔径的光束整形技术是一种简单直接的激光束整形方法，如图 2 所示。该技术依靠物理屏障控制光束轮廓，是一种成熟且实用的方案。其流程为：让输入光束通过孔径或掩模，选择性地阻挡或透射光束的不同部分，从而获得所需的光束轮廓 [65-67]。通常，输入光束会先通过扩束器进行扩束 [76]，以方便后续的选择性阻挡和透射操作。孔径可采用不同形式，例如简单的圆形或矩形，甚至是为特定应用定制的更复杂图案。根据预期的整形效果，孔径可以是二元型（简单的通 / 断透射）、衍射型（利用衍射图案进行整形），甚至是全息型或折射型。孔径设计的选择取决于目标应用场景和光束整形的具体要求。然而，该技术的一个主要缺点是，由于阻挡或透射部分光束会导致功率和能量损失 [65, 66]。

Figure 2

Aperture used to selectively block or transmit a portion of the input beam.

基于场映射的光束整形是一种通过调控光束相位及电场或磁场轮廓来修改激光束强度分布的技术 [77]。与主要控制光束空间分布的基于孔径的光束整形不同，场映射技术通过改变光束内的电磁场和相位来实现所需的整形效果 [65-67, 78]。如图 3a 所示，该技术利用光学元件或装置改变激光束的相位、振幅或偏振态。可用于此类修改的元件包括折射光学元件 [79, 80]、衍射光学元件 [36, 77, 81]、空间光调制器（SLMs）[82-85]、光相控阵 [86, 87]、反射光学元件 [88] 及其他专用组件。

基于场映射的光束整形的基本原理是将激光束分割为一系列更小的子光束，并独立控制它们的相位和振幅（图 3b）。通过调整子光束的相对相位和振幅，子光束之间会发生相长干涉或相消干涉，从而在输出平面形成所需的光束形状。与基于孔径的方法相比，场映射技术为光束整形过程提供了更高的灵活性和可控性，且几乎无损耗 [65-67]。它们能够生成更复杂、更具定制性的光束轮廓，例如产生任意强度分布、光束分裂、光束合成或创建非均匀强度图案。空间光调制器（SLMs）在基于场映射的光束整形中应用广泛，因其能够以高空间分辨率修改光的相位或振幅 [82, 84]。通过在空间光调制器上施加特定的相位图案或调制轮廓，经过它的激光束会发生场映射，进而获得所需的分布。

Figure 3

a) Fundamental principle of field mapping-based beam shaping. b) Transformation of a Gaussian beam shape into a top-hat beam shape using field mapping technique.

最后一种技术是光束均匀化或积分化，指将输入光束分解为更小的子光束，然后对这些子光束进行重组和叠加，以形成强度更均匀的输出光束形状 [65-67]（见图 4）。该技术的主要目的是将输入激光束（通常为强度分布不均匀的高斯光束）转换为具有均匀目标空间强度分布的光束 [90]。其实现方式是借助一系列光学元件和调控光束空间特性的技术，在光束横截面积上重新分配激光能量。

历史上，研究人员已开发出多种类型的均匀化器或积分器，包括复眼聚光器 [91]、微透镜阵列 [92]、衍射光学元件 [93] 和科勒积分器 [90]。均匀化器或积分器的具体选择取决于目标强度轮廓、光束尺寸、发散角、波长及应用需求等因素。使用这些光束整形装置可降低或消除激光束的不均匀性，从而改善光束质量，并提升其在包括激光材料加工在内的各类应用中的性能 [72-74]。

Figure 4

Transformation of a nonuniform beam shape into a homogenized top-hat beam shape using microlenses. The first microlens breaks up the input beam into smaller beamlets, and the second microlens recombines them and then passes through a focusing lens, forming a uniform output beam shape.

动态光束整形涉及对激光束空间分布的实时控制和调控，具体而言，是动态控制激光辐照度和能量在光束横截面上的实时分布。需要明确区分动态光束整形与动态光束振荡或摆动：前者的功能源于激光源或先进光学元件对辐照度轮廓的调控，而后者则涉及光束的位移。动态光束整形常用的技术和装置包括空间光调制器（SLMs）[95, 96]、声光偏转器 [96-98] 和可变形反射镜 [58, 99]。这些装置能够动态修改激光束的相位、振幅或偏振态，从而实现复杂且自适应的光束整形。动态激光束整形技术可生成更复杂多样的光束形状，包括任意形状、非均匀强度分布以及动态可重构形状。它们在需要精确控制和适应性的应用中极具价值，例如激光焊接（LW）[58, 100]、激光切割 [71] 和激光粉末床熔融（L-PBF）[34, 101]。

此外，随着能够在光源处动态调制激光束形状的光纤激光器的出现，光束整形技术进入了新的发展阶段，可完全避免使用体光学元件或频繁更换激光头 [49, 86, 102]。下一代最先进的在光源处实现动态光束整形的光纤激光器采用双包层方法。如图 5 所示，双包层光纤激光器由纤芯和内包层组成。通过控制传输光纤的纤芯和内包层输出的功率水平实现光束整形。纤芯和内包层的不同组合可产生平顶、环形（甜甜圈形）以及纤芯高斯与外环组合等光束形状。与传统光束整形方法相比，这些下一代光纤激光器具有显著优势：无需额外的自由空间光学元件或装置即可实现光束整形，且光束形状切换时间可在 30 毫秒以内 [102]。尽管其早期应用已在激光焊接 [103-105] 和 L-PBF [14, 24, 25, 44] 中展现出提升生产效率和质量的潜力，但在调整外环光束直径以及获得环形、甜甜圈形和平顶形之外的光束形状方面仍缺乏灵活性。目前，市场上大多数激光源制造商提供的多芯光纤解决方案可输出轴对称光束，其特征为中心峰值（类似高斯光束）周围环绕环形强度分布。此外，三包层光纤激光器最近已进入市场 [106]；但它们仍仅能提供固定光束形状，如环形、平顶形以及这些形状与纤芯高斯轮廓的组合。当前用于光源处光束整形的光纤激光器缺乏非对称光束形状，且无法生成任意光束形状，因此限制了其在工业中的广泛应用。

Figure 5

Double cladded fiber laser having a core, an inner clad, and a protective polymer coating: a) total power delivered by the core; b) total power delivered by the inner clad; and c) variable power delivered by the core and inner clad proportionally.

时间光束整形指对激光束的时间特性进行实时调控，尤其针对脉冲激光器。时间光束整形能够控制激光脉冲强度随时间的变化。图 6 展示了激光材料加工中常用的两种脉冲形状：递增型和递减型，分别通过在脉冲持续时间内调整脉冲强度实现渐进式加热和冷却。时间光束整形可通过脉冲拉伸或压缩 [110]、利用声光调制 [111] 或电光调制 [112] 进行脉冲整形等方法实现。研究表明，在脉冲激光增材制造工艺中，时间光束整形对于优化热输入、减小热梯度以及减轻激光 - 材料相互作用过程中的飞溅或微裂纹等不良效应至关重要 [113-116]。此外，可结合空间和时间光束整形，为特定应用实现动态时间光束整形 [117]。尽管空间和时间光束整形均具有显著优势，但需要说明的是，本综述仅聚焦于连续波（CW）激光束整形。因此，本文不涉及时间光束整形在 L-PBF 中应用的相关文献。

Figure 6

Laser pulse shaping a) ramp-up and b) ramp-down.

光束整形技术为激光束的空间和时间轮廓提供了灵活性和可控性。然而，必须考虑其局限性、成本、效率和设计灵活性。光学元件用于激光束整形具有成本效益，但必须考虑其热敏感性，尤其是在高激光功率下。例如，Wischeropp 等人 [12] 阐明了考虑光束整形光学元件敏感性的重要性 —— 当使用 M-Shaper（一种衍射场映射器）将高斯轮廓转换为环形轮廓时，可能需要在每次建造作业后进行校准，以维持最佳性能。此外，像孔径这类物理阻挡光束部分区域的技术，会因截断导致功率损失；一些光束整形元件也会吸收部分激光功率。即使是衍射光学元件，也可能因缺陷或低效而引入一定的功率损失。

此外，基于微机电系统的空间光调制器（SLMs）损伤阈值较低，这似乎使其不适合某些高功率激光工艺，如通常运行功率超过 300 W 的 L-PBF。但需要指出的是，空间光调制器在激光材料加工中的应用已有所扩展，尤其是在涉及超短脉冲激光器的应用中。例如，采用超短脉冲激光器的 L-PBF 系统可能不需要与连续波激光系统相当的高平均功率，因此可能降低对空间光调制器的功率要求 [113, 114]。

另一个关键考虑因素是初始投资成本。使用透镜的简单装置往往更经济实惠。相反，采用多个元件的复杂技术成本可能显著更高。多芯光纤激光器的光源处光束整形 [49, 86] 可减少对光束整形光学元件的需求并最大限度降低功率损失，但初始 setup 和设备成本将远高于其他成熟的光束整形方法。这些局限性凸显了实施光束整形技术相关的实际挑战，并强调了考虑成本、效率及与特定应用兼容性等多种因素的重要性。

与任何制造技术一样，L-PBF 工艺中存在许多影响工艺及制成零件质量的因素或参数，如激光功率、粉末形态、扫描速度、 hatch 间距等。这些参数在致密化、表面粗糙度、微观结构演变、力学性能及热应力产生等方面影响最终产品 [118-120]。根据参数来源，它们可分为激光相关、扫描相关、粉末相关和温度相关参数。尽管许多研究人员已对这些参数进行研究，以寻找生产无缺陷零件的最佳工艺窗口 [121-125]，但 L-PBF 中关于激光束形状和强度分布的研究仍较为有限。相比之下，激光的这一特性在激光焊接（LW）中已被用作工艺参数 [108]，而在 L-PBF 中尚未获得同等重视。

在大多数商用 L-PBF 工艺中，激光强度或热分布通常符合高斯光束形状。高斯光束形状以钟形强度分布为特征，中心存在局部峰值。然而，这种峰值强度限制了更高激光功率的输入 [12]，导致局部过热、蒸发、球化、飞溅产生 [11-16]，并在熔池中引发显著的热梯度和凝固速率 [64]，从而限制了实现无缺陷零件的工艺窗口。鉴于标准高斯光束形状带来的挑战，激光束整形已成为改善 L-PBF 工艺各方面性能的替代方案。现有文献表明，激光束形状的选择直接影响熔池 [12, 14, 24, 30]、工艺稳定性 [12, 14, 16]、生产率和建造速率 [12, 14, 22, 23]，以及最终产品的力学性能 [24, 38]、微观结构 [20, 21, 25, 38-40, 45] 和表面粗糙度 [14, 23, 44]。

在 L-PBF 中，已探索的光束形状包括基模高斯模式（TEM00 模式）、平顶、环形、椭圆形和贝塞尔光束形状，如图 7 所示。高斯光束形状呈现钟形强度分布，而平顶光束在特定区域内强度均匀，该区域外强度为零。环形光束（也称为中空光束、环状光束、环形光束、甜甜圈光束或反高斯光束）呈现环形强度分布，其特征为边缘强度高、中心强度极低，形成环形轮廓。与该光束轮廓最接近的解析定义是 TEM01 * 模式，它由正交的厄米 - 高斯 TEM01 和 TEM10 模式叠加而成 [126]，从而产生独特的环形图案。需要注意的是，环形光束的具体辐照度轮廓可能因所采用的光束整形技术而异，相位调制、振幅调制、空间滤波以及使用双包层光纤激光器的光源处光束整形 [12, 15, 24, 44] 等方法都会影响光束特性。另一方面，贝塞尔光束形状可在长距离内保持其形状，其特征为中心峰值周围环绕强度相等的同心环。椭圆形光束在其正交轴上的光束宽度不等，形成椭圆形强度轮廓，其变化取决于椭圆的纵横比。基于这些光束形状，下一节将对比讨论激光束整形对 L-PBF 中熔池几何形状、微观结构、生产率和工艺稳定性的影响。表 2 提供了关于激光束整形在 L-PBF 工艺中应用的代表性文献

Figure 7

A schematic representation of the main 2D cross-sectional profiles of Gaussian, top-hat, longitudinal elliptical, donut, and Bessel beams reported in the literature for the L-PBF process.

激光束形状对熔池尺寸和纵横比有显著影响。光束形状与激光功率密度分布相似，并决定熔池几何形状的形态 [24, 48]。对于高斯光束，由于其中心存在峰值强度，熔池通常深而窄；而对于其他已报道的光束形状（环形、椭圆形和平顶形），熔池则呈现浅而宽的特征，如图 8-10 所示。

Figure 8

Melt pool characteristics in 316 L stainless steel: Numerical results showing melt pools a,b) with a Gaussian beam that are less deep and wide (54 μm depth), c,d) with a TE beam that are shallower and wider (36 μm depth), and e,f) with a LE beam that are deeper and narrower (80 μm depth). Simulated melt pools are formed using a laser power of P = 350 W and a scanning speed of v = 750 mm s−1. The reported lengths are in microns, and the pseudocolor range represents temperature change linearly, with cyan depicting room temperature and red representing 3200 K. Experimental results of samples built using P = 250 W and VED = 140 J mm−3, showing melt pools for g) a Gaussian and h) TE beam shapes.

Roehling 等人 [13, 19-21] 通过数值模拟和实验研究，考察了光束整形对激光粉末床熔融（L-PBF）制备的 316L 不锈钢立方体微观结构和形貌的影响。在这项研究中，使用了高斯光束和两种通过变形棱镜对（即折射光学元件）生成的椭圆形光束变体，分别命名为圆形高斯光束、纵向椭圆形光束（LE，长轴平行于扫描方向）和横向椭圆形光束（TE，长轴垂直于扫描方向）。研究中选择的工艺参数（尤其是每种光束形状的光束直径）旨在提供等效的峰值强度，以便进行公平的对比。随后，利用 80 至 260 J・mm⁻³ 的体能量密度（VED）值对结果进行了定量比较。观察发现，沿建造方向和扫描方向，纵向椭圆形光束的熔池更深更窄，横向椭圆形光束的熔池更浅更宽，而高斯光束的熔池深度和宽度则介于两者之间（如图 8 所示）。熔池形状的差异与激光束的能量分布相关：纵向椭圆形光束在扫描方向上较宽、在扫描路径横向上较窄，而横向椭圆形光束则相反。此外，横向椭圆形光束需要更高的激光功率和能量密度，以确保足够的层间结合和基板重熔，从而避免熔合不足并获得全致密零件 [19]。作者通过实验和数值模拟证实，熔池几何形状与激光束形状直接相关，并指出横向椭圆形和纵向椭圆形光束产生的熔池深度等于粉末层厚度，这限制了新熔化层与先前凝固层之间的充分结合。

在 Tumkur 和 Roehling 等人 [19, 28] 开展的另一项研究中，探索了贝塞尔光束形状对 316L 不锈钢零件的影响。贝塞尔光束通过一对相同的轴棱锥获得。作者以归一化焓 [130, 131] 作为综合对比参数，对贝塞尔光束和高斯光束进行了定量评估。他们发现，在相同参数值下，贝塞尔光束（光束直径范围为 140–280 μm）产生的熔池比高斯光束（光束直径范围为 65–280 μm）更深更窄。作者将这一结果归因于贝塞尔光束中心的强度更集中，而中心周围环形区域的强度则低得多。更深的熔池有利于增强材料层间结合，从而可能改善制成零件的力学性能。Sabzi 等人 [132] 和 Mukherjee 等人 [133] 提出了无量纲的 h/z 比值（其中 h 为熔池高度，z 为沉积粉末层厚度），并建议两层材料充分结合的经验条件为 h/z > 1.5。基于这一标准，与贝塞尔光束相比，横向椭圆形和纵向椭圆形光束可能难以生产出致密、无缺陷且力学性能良好的零件。此外，贝塞尔光束中心强度高，在高激光功率下可能出现匙孔效应，这在 L-PBF 中是不期望出现的现象。

平顶（均匀）光束形状是高斯轮廓的另一种变体，其峰值强度在整个激光光斑内均匀分布，形成均匀的强度分布。Loh 等人 [37] 通过高斯光束和平顶光束，研究了激光束形状对熔池尺寸（即宽度和深度）的影响。在打印多组 6061 铝合金立方体样品后，他们指出平顶光束对熔池宽度影响显著，但对熔池深度影响极小，两种光束的熔池深度相近。值得注意的是，Loh 等人用于分析的工艺参数（尤其是直接影响熔池深度和宽度的激光功率和光束直径）在两种光束形状中有所不同：平顶光束采用 1000 W 激光功率和 730 μm 光束直径，而高斯光束采用 350 W 激光功率和 80 μm 光束直径。激光功率和光束直径的差异导致向熔池输入的单位体积能量不均等。因此，研究平顶光束和高斯光束时必须考虑相同的体能量密度（VED）。Sow 等人 [134] 在相同体能量密度下对比研究了高斯光束和平顶光束，与 Loh 等人 [37] 的结果相反，他们发现平顶光束的熔深小于高斯光束。同样，其他研究也证实，与标准高斯光束相比，平顶光束的熔池更短更宽 [29-32, 40, 41, 43, 127]（见图 9），这被认为是由于峰值强度重新分布到周围区域所致。然而，平顶光束的适用性受到限制，因为其强度分布在传播过程中难以保持 —— 仅在光学系统的焦点处可保持分布，无法像高斯光束那样用作离焦光束 [135]。

此外，环形光束（donut 或 ring beam）以边缘强度高、中心强度极低为特征，形成环形分布。由于中心强度低，环形光束的熔深不足，导致熔池较浅。Wischeropp 等人 [11, 12] 通过实验和数值模拟观察到这一特征，他们发现，在相似工艺参数下，环形光束产生的熔池比高斯光束更短更宽。具体而言，高斯光束产生的熔池平均比环形光束深 30%，且证实使用环形光束需更高的激光功率（>400 W）才能获得全致密零件。同样，Cloots 等人 [36] 观察到，在相同激光功率下，环形光束比高斯光束导致更高的孔隙率和更浅的熔池，这被归因于环形光束的能量密度更低。为解决这一问题，研究人员探索了通过双包层光纤激光器实现的可变环形轮廓（见图 10），如 2.2 节所述。Grunewald 等人 [14] 利用具有光源处光束整形能力的多芯光纤激光器进行平板堆焊实验，研究了可变环形光束对工艺稳定性和生产率的影响。与传统 L-PBF 工艺不同，这些实验未使用粉末，而是通过 AISI 316L 不锈钢平板的简单堆焊实验评估不同光束形状对熔池特性的影响。可变环形光束无需任何光学整形器即可生成，其轮廓范围从具有中心峰值强度（类似高斯分布）到环形区域强度最高的完全环形形状，称为 “可变光束参数积（VBPP）”，如图 10a 所示。实验结果表明，将强度分布从中心峰值调整到周围环形区域会导致熔池深度减小（见图 10b）。此外，要使环形光束获得满意的焊接熔深，激光功率需超过 750 W 且扫描速度低于 1400 mm・s⁻¹。需要注意的是，不同 VBPP 设置的光束直径存在差异（即 VBPP 0、VBPP 4、VBPP 5 和 VBPP 6 的光束直径分别为 107、253、262 和 271 μm）。光斑直径的变化也会影响熔深，因为更宽的光束直径会将相同能量分布在更大区域，可能降低熔深。因此，有必要进一步研究光束直径变化对熔池尺寸的影响。

此外，为验证光束形状的峰值辐照度是否对熔池尺寸（即宽度和深度）和力学性能有影响，Galbusera 等人 [24] 对比研究了通过同一光源处光束整形光纤激光器 [102] 生成的可变环形光束与高斯光束轮廓。表 3 列出了本研究中使用的可变环形光束的功率比（环形 / 核心）及其他特性 [136]。观察发现，无论激光功率如何，峰值辐照度（或强度）对熔池形状起决定性作用，并影响熔池纵横比。图 11 展示了实验获得的示意性熔池几何形状，结果显示随着峰值强度降低，熔池深度减小，而提高激光功率会扩大熔池。外环强度（可通过激光功率调节）同时影响熔池深度和深度与层厚比指数。在一项类似研究中，Nahr 等人 [44] 通过高强度铝合金 EN AW-5083 的平板堆焊实验，研究了可变环形光束对表面粗糙度、熔池形状和热裂纹敏感性的影响。结果证实熔池尺寸取决于激光束形状，与先前研究 [11, 12, 14, 24] 一致，但存在细微差异：在较低激光功率（

Figure 9

The melt pool shapes achieved by the Gaussian and top-hat beam shapes. The top-hat beam shape resulted in a shorter melt pool than the Gaussian beam shape.

Figure 10

a) Intensity distribution of variable donut beam shapes in 2D from the top view. b) Melt pool dimensions obtained using variable laser beam shapes with a laser power of 300 W, scanning speed of 500 mm s−1, and 107, 253, 262, and 271 μm spot diameters for VBPP 0, VBPP 4, VBPP 5, and VBPP 6, respectively. It is evident that reducing the central peak and increasing the ring intensity resulted in shallower melt pools.

Figure 11

Schematized melt pool geometries formed by irradiance profiles, BS0 and BS1, at 200 and 266 W laser powers, indicating the melt pool depth dependence on the peak irradiance of the beam shape.

晶粒生长、晶粒尺寸、晶粒纵横比、凝固晶粒结构演变及织构指数均受热流方向、温度梯度和冷却速率的显著影响 [13, 20, 21, 28]。温度梯度指材料内部温度的空间变化，在 L-PBF 中，它描述了激光与粉末床相互作用时，温度从熔池中心到周围区域的变化规律。冷却速率表示激光热源移除后熔融区域温度下降的速度，表征材料从熔融态转变为固态的速率。凝固速率是冷却速率与温度梯度的比值，反映熔融材料在冷却过程中的凝固速度。它影响熔池内固相的形核和生长动力学，进而影响最终微观结构的形成。通常，温度梯度与凝固速率的比值降低以及冷却速率提高，有利于细化微观结构并降低织构强度，这归因于凝固模式从柱状向等轴转变 [13, 20]。

激光束形状对金属增材制造中的微观结构影响显著。激光束的形状和强度会影响熔池内的温度梯度或温度分布，进而影响凝固行为（如枝晶、胞状和平面凝固）和熔融材料的冷却速率，导致最终零件的关键微观结构特征发生变化 [137]，例如晶粒尺寸、晶粒生长和织构 [18-21, 26-28, 38-42]。此外，通过调整熔池内的凝固速率和温度梯度，激光束整形可实现特定位置的微观结构调控 [13, 20, 21, 28]。

Roehling 等人 [18, 21, 26] 发现，将光束强度轮廓从高斯形改为椭圆形后，等轴晶粒与柱状晶粒的比例增加，如图 12a 所示。此外，他们观察到，当采用传导模式激光加热时，使用椭圆形光束可在更宽的工艺参数窗口（恒定扫描速度和中等功率 150–450 W）下获得柱状 - 等轴混合晶粒结构。与高斯光束轮廓相比，横向椭圆形（TE）光束轮廓在扫描方向上的激光表面能量更小，导致激光 - 材料相互作用时间或金属粉末熔化时间缩短，这为改变温度梯度（G）和液 - 固界面速度（R）提供了可能。Roehling 等人 [13] 报道，在高激光功率（400 W）、高能量密度（380 J・mm⁻³）和低扫描速度（92 mm・s⁻¹）下，椭圆形光束制备的立方体晶粒细化效果最显著（含 60% 以上的小等轴晶粒，取向偏好更低，形核频率更高），而高斯光束的等轴晶粒占比不足 30%（见图 12）。研究发现，与标准高斯光束相比，椭圆形光束的熔池几何形状和较浅的熔深使得微观结构中等轴晶粒的面积占比更高，并降低了成形零件的织构 [13, 21]。此外，在熔合边界附近观察到等轴晶粒的形成，且无论光束形状如何，使用椭圆形光束时这种现象更为明显。他们将椭圆形光束等轴晶粒数量的增加归因于更低的温度梯度、更少的前一层重熔以及更高的熔合边界集中度（熔池边界）13, 1

Figure 12

Microstructures of 316 L stainless steel generated by different beam shapes. The image on the left a) displays the microstructure obtained using the Gaussian beam shape, characterized by predominantly columnar grains with a presence of equiaxed grains near the fusion boundary. In contrast, the images in the middle b) and right c) demonstrate the microstructures resulted using elliptical beam shapes, showing a combination of columnar and equiaxed grains. d and e) The solidification maps generated by an in-house built simulation software at P = 150 W and v = 150 mm s−1 for the Gaussian and elliptical beam shapes, respectively. The simulation results show a higher propensity of equiaxed grain formation under elliptical beam shapes.

Figure 13

The solidification maps of 316 L stainless steel predicted by the inhouse built simulation software showing a lower number of mixed equiaxed-columnar grains are formed for the a) Gaussian beam shape than the b) Bessel beam shape under process parameters of P = 300 W and v = 1800 mm s−1

Figure 14

EBSD analysis of IN718 alloy vertical cross sections for the a) 200 W Gaussian beam, b) 2 kW Gaussian beam, and c) 6 kW top-hat beam profiles.

如 3.1 节所述，通过多芯光纤激光器实现的可变环形光束被证实会影响熔池形状和尺寸，进而影响温度梯度和冷却速率动态。通过将光束强度重新分配至外环，这些光束形状能够降低高斯光束峰值辐照度通常引发的高温度梯度。Mohebbi 等人 [45] 表明，与高斯光束相比，使用可变环形光束加工 Scalmalloy 合金样品可获得近乎全等轴的细晶粒。可变环形光束的大直径促进了更稳定的熔化过程，并创造了有利于全等轴晶粒形成的熔池温度，从而增加了具有超细晶粒的熔合边界带宽。此外，Pérez-Ruiz 等人 [138] 的研究表明，可变环形光束可影响打印零件的晶体结构和织构，进而影响其力学性能。

尽管这些研究提供了宝贵见解，但必须承认其中存在局限性和空白。虽然现有研究充分证明了激光束整形对 L-PBF 中微观结构特征（如晶粒尺寸、形貌和凝固行为）的影响，但仅凭这些发现不足以全面描述光束形状与微观结构之间的复杂关系。工艺参数、材料性能和粉末特性等诸多因素都可能与光束整形效果相互作用，导致现有研究未能完全捕捉的细微结果。因此，需要采用系统的实验方法和先进的数值模拟进行进一步研究，以阐明不同光束形状下微观结构演变的复杂机制。此外，探索更广泛的光束形状和工艺条件将有助于更全面地理解潜在现象，并推动优化光束整形策略的开发，从而增强对 L-PBF 中微观结构和零件性能的控制。

阻碍 L-PBF 技术在工业中广泛应用的最大挑战之一是其较低的构建速率、生产率和工艺速度，这导致生产成本较高且重现性有限 [33, 139-142]。提高构建速率和工艺速度需要更高的能量输入。然而，增加能量输入（通常通过提高激光束总功率实现）存在一系列问题。激光束的总功率由其在横截面内的强度分布的空间积分决定，提高总功率会导致强度值升高。例如，对于高斯光束轮廓，强度或能量集中在光束中心，提高总功率会加剧粉末汽化、飞溅产生和局部过热等问题 [21, 24, 27, 33]。这些现象会显著破坏 L-PBF 工艺的稳定性，导致熔合不足和孔隙率等缺陷 [16, 22, 33, 143-145]。为克服这一挑战，研究人员研究了具有均匀能量分布的替代光束形状，使其能够在更宽的窗口内维持工艺稳定性的同时实现更高的能量输入 [12, 14, 22, 23]。如 3.1 节所述，非高斯光束形状会产生更浅更宽的熔池，从而允许采用更大的扫描间距，进而提高构建速率和打印效率，同时减少能量浪费 [33]。然而，具有相同光斑尺寸的离焦高斯光束虽可能也能实现均匀能量分布，但如 Wischeropp 等人 [11, 12] 在环形光束与高斯光束的对比中所示，其光束中心的能量集中仍较显著，无法完全复制非高斯光束形状的优势。高斯光束离焦会影响熔池尺寸，尤其是熔深 —— 正离焦光束产生浅熔池，负离焦光束产生深熔池 [135]。尽管离焦高斯光束可提高构建速率，但会牺牲表面粗糙度、精度和零件致密度 [135, 146, 147]。

Schleifenbaum 等人 [23] 探索了增大激光束直径、粉末层厚度和光束形状调制（从高斯到平顶）对 L-PBF 生产率的影响。研究发现，采用平顶光束时，钢样品在层厚 100 μm 下的构建速率可达 5 mm³・s⁻¹，在层厚 400 μm 下可达 20 mm³・s⁻¹（扫描速度 v=100 mm・s⁻¹，功率 P=500–800 W），且相对密度仍保持在 99% 以上。然而，将层厚增加到这种程度已被证明对 L-PBF 工艺有害。增加层厚会降低力学性能、增加表面粗糙度，并因熔池内部不稳定性加剧而增加孔隙率和熔合不足等缺陷 [148, 149]。Schleifenbaum 等人还指出，增加层厚需在表面粗糙度和分辨率方面进行权衡。因此，他们提出了一种 “表层 - 核心” 策略，结合高斯光束和平顶光束使用，这可能在提高构建速率的同时保持制造零件的完整性和质量 [23, 37]。

为研究激光束整形对 L-PBF 工艺稳定性和生产率的影响，Okunkova 和 Gusarov 等人 [16, 22, 29-33, 127, 128] 对钴铬合金单熔道采用高斯光束（100 μm）、平顶光束（200 μm）和环形光束（300 μm）进行了对比研究。结果表明，非高斯光束形状（即平顶光束和环形光束）优于高斯光束。由于平顶光束直径较大（>100 μm），其能量效率高于高斯光束。Gusarov 等人 [33] 指出，高斯光束轮廓在 L-PBF 过程中浪费了近 63% 的激光能量。非高斯光束形状可减小熔池周围的粉末匮乏区 [29, 32]、减少飞溅产生 [29, 30, 33, 127] 并最大限度降低汽化 [16, 128]。因此，这些光束形状提供了更大、更稳定的工艺窗口，提高了工艺构建速率 [22, 30, 32, 33]。此外，他们发现平顶光束可使功率和扫描速度提高 14%，而环形光束可使这两个参数提高 43%[22]。需要注意的是，这些研究是在 1–200 W 的激光功率范围内进行的，且作者未考虑光束直径的影响 —— 光束直径会影响输入熔池的能量总量。

尽管上述研究表明采用非高斯光束形状可提高 L-PBF 工艺的构建速率和生产率，但它们未研究更高的激光功率和扫描速度，也未根据输入熔池的体能量密度（VED）对比不同光束形状 —— 体能量密度可作为确定最佳工艺窗口的设计参数。Wischeropp 等人 [11, 12] 通过全面的实验和数值模拟，研究了激光束形状对 L-PBF 工艺各方面的影响。该研究聚焦于不同工艺参数下制备的 AlSi10Mg 单熔道和立方体。结果显示，环形光束具有显著优势，尤其是在较高激光功率（>500 W）和扫描速度（>1000 mm・s⁻¹）下。在相似工艺参数（如不同光束直径 85 和 140 μm、扫描间距 0.1 和 0.2 mm、层厚 50 μm）下，环形光束始终能获得缺陷更少（包括裂纹、凸起和孔隙率）的单熔道和致密度立方体，相对密度可达 99.5% 以上。

此外，环形光束始终能产生比高斯光束更均匀的单熔道。采用环形光束时，获得理想对称熔道横截面所需的工艺窗口显著更大。此外，凸起（表明存在大量汽化和强烈纵向熔池流动的明显迹象）在环形光束工艺中几乎不存在。基于这些发现，Wischeropp 得出结论：与高斯光束相比，环形光束能提供更稳定的工艺和更大的工艺窗口，这主要归因于环形光束引入的均匀能量密度分布，导致熔池内蒸汽压较低且熔体流速较慢。

数值模拟进一步支持了这些发现，结果表明环形光束可降低蒸汽压，带来诸多优势，如提高最大能量输入、减少飞溅产生和粉末匮乏区、降低熔池波动。此外，Wischeropp 等人指出，高斯光束在熔池内产生更大的温度梯度，加剧热毛细流动。因此，高斯光束的平均熔体流速比环形光束高约 20%，导致熔池不稳定性增加和飞溅产生。

此外，他们对 AlSi10Mg 致密度立方体的研究揭示了环形光束相较于高斯光束的多项优势。具体而言，环形光束产生的飞溅平均比高斯光束少 35%。值得注意的是，在高体能量密度（>100 J・mm⁻³）下，环形光束完全无球形孔隙，而高斯光束则存在孔隙 [11, 12]，这表明环形轮廓允许更高的能量输入和更大的工艺窗口，从而实现更稳定的工艺。致密度立方体的研究结果表明，当增加扫描间距、激光功率和扫描速度时，采用环形光束可比高斯光束将构建速率提高 60%。图 15 对比展示了不同激光功率和扫描速度下两种光束形状制备的 AlSi10Mg 致密度立方体的显微截面。结果显示，在扫描间距 150 μm、扫描速度 2000 mm・s⁻¹、激光功率 800 W 且光束直径相同的条件下，环形光束可制备出相对密度达 99.9% 的立方体 [11]。环形光束未出现随激光功率增加而致密度下降的情况，因为其产生的熔池较浅，减少了向匙孔模式转变的倾向，且由于汽化减少，几乎消除了气孔。

Figure 15

Microsections of the AlSi10Mg density cubes produced at different laser powers and scanning speeds using Gaussian (G) and donut (D) beam shapes.

图 16 展示了 AISI 316L 不锈钢平板堆焊实验中激光功率与激光扫描速度的工艺映射结果，表明使用可变环形光束形状时，即使在较高激光功率（>1000 W）和扫描速度（>1200 mm・s⁻¹）下，仍能实现稳定熔化，且无匙孔、凸起和球化缺陷。报告指出，尽管高斯光束采用了更低的功率和扫描间距设置，但使用可变环形光束形状时，多熔道区段的表面粗糙度仍略低于高斯光束制备的零件。作者称，这一现象的可能解释是可变环形光束产生的熔道具有更宽的熔池宽度和相对更少的凸起。此外，作者提出，通过采用可变环形光束形状增加扫描间距和光束直径可提高构建速率，但在单熔道和 bulky 样品打印中获得类似结果之前，这一发现仍具有推测性。尽管作者在另一项研究中报道，在相同材料的单熔道实验中使用可变环形光束形状可减少飞溅 [15]，但在提高 L-PBF 工艺的生产率和构建速率方面仍需进一步研究。同样，Nahr 等人 [44] 报道，对于可变环形光束形状，在扫描速度高达 1000 mm・s⁻¹、激光功率为 600 W 的条件下，AlMg4.5Mn 合金的工艺窗口扩大，熔池更稳定，表面粗糙度、驼峰效应和热裂纹均显著减少。尽管这些研究表明使用可变环形光束形状可能改善工艺稳定性和构建速率，但它们缺乏对激光光束形状的深入对比，尤其是考虑到实验性质（即平板堆焊）和研究方法（使用传统体能量密度），这限制了揭示这些光束形状对 L-PBF 工艺的真实影响。尽管近期研究 [24, 25, 47] 表明使用可变环形光束形状可改善工艺稳定性，但所用光束直径的差异引发了重大关注，因为光束直径的不同会影响激光光束形状的整体强度分布和峰值强度。

Figure 16

Process map showing the results of the experiments for the laser power versus laser scanning speed for single melt tracks of AISI 316 L stainless steel using variable donut beam shapes.

Figure 17

Single melt tracks of 316 L stainless steel formed using laser processing parameters P = 250 W and VED = 260 J mm−3. Discontinuous melt tracks are printed using the large Gaussian (C-L) and small elliptical beam shapes (LE-S, TE-S). Stable and continuous melt tracks are printed using the small and medium Gaussian (C-S and C-M) and medium and large elliptical beam shapes (LE-M, TE-M, TE-M, and TE-L).

此外，贝塞尔光束凭借其独特的强度分布，在提升 L-PBF 工艺稳定性和生产率方面具有潜力。贝塞尔光束中心的高强度集中有助于形成更深的熔池，而外围的低强度环形区域则有助于抑制飞溅从熔池中喷射。Tumkur 等人 [28] 证实，在相似工艺参数下，贝塞尔光束可减少熔池湍流并延长凝固时间，为 316L 不锈钢提供了比高斯光束更宽的工艺窗口。如前所述，贝塞尔光束能形成更深的熔池，其无衍射特性、更大的层厚和光束直径可用于提高构建速率，但这一点尚未得到研究。

另一方面，Tumkur 等人 [28] 对致密度立方体的研究仅涉及最高 400 W 激光功率和 300 mm・s⁻¹ 扫描速度，对单熔道的研究也仅达到 550 W 和 1100 mm・s⁻¹。因此，需要进一步研究贝塞尔光束在更高激光功率和扫描速度下的性能。这类研究将为利用贝塞尔光束提升 L-PBF 工艺的生产率和稳定性的可行性及有效性提供宝贵见解。

本节简要综述激光束整形在与 L-PBF 相关工艺（如激光焊接，LW）中的应用，因为这些研究结果与 L-PBF 具有相似性和可迁移性。激光束整形在激光焊接中的应用始于 20 世纪 90 年代 [151]，并得到了迅猛发展。如今，具有高度动态和自适应光束整形功能的激光焊接工艺已实现商业化，可供工业使用 [103-105, 108]。平顶形 [52] 和环形（或环形）[50, 103-105] 是激光焊接中最常用的非高斯光束形状，但具体光束形状的选择取决于应用类型。激光焊接及相关工艺的研究人员认为，光束整形是解决工艺窗口有限 [50]、工艺效率低下 [55, 58] 和表面粗糙度问题 [55, 152, 153] 的有效方案。在激光焊接中，光束整形能够调节激光与材料作用点的热分布，并控制熔化和凝固行为 [50-52]。

Rasch 等人 [50] 结合实验和数值方法，在热传导模式焊接中研究了激光束形状对铝 - 铜合金焊缝的工艺稳定性、动态特性、熔池几何形状和表面粗糙度的影响。该研究使用了四种不同的光束形状，即环形（环形）、线形和点形，并与高斯光束形状进行对比。结果表明，采用非高斯光束形状可使工艺更稳定、工艺窗口扩大且表面粗糙度降低。环形光束的工艺窗口最大，且能获得最高的表面质量，尤其是在接近激光抛光表面的区域。此外，研究观察到激光束形状直接影响熔池的几何形状和尺寸（即深度和长度）。具体而言，熔池的前沿与入射光束的形状高度相似。同样，Ayoola 等人 [51, 52] 在传导受限激光焊接中，通过研究激光束倾角和调制对焊缝几何形状（精确到熔池特性）的影响，对比了平顶光束和高斯光束轮廓。结果表明，焊缝几何形状直接由激光束形状控制 [51]—— 在光束直径相同的情况下，平顶光束产生的焊缝熔池更平坦 / 更浅。此外，有报道称激光束的强度分布对焊缝熔池宽度的影响极小 [52]。

此外，Mi 等人 [58] 尝试通过可变形反射镜实时调制激光束形状（即横向椭圆形、纵向椭圆形和高斯形），以定制 Ti64 板材传导模式激光焊接的熔合区（焊缝熔池几何形状、微观结构和硬度）。可变形反射镜由直接键合在高反射率柔性玻璃膜上的压电致动器组成，这种结构可实现自适应光束整形，响应速度快于 10 ms。研究发现焊缝熔池几何形状与激光束形状相关。具体而言，采用纵向椭圆形光束可使焊缝熔池长度增加 7%，且不会导致深度显著减小。此外，有研究表明非高斯光束形状有望提高工艺效率、减少前一层的重熔，并能定制微观结构（如形成特定的晶粒结构）。

Fig. 18. The power density distribution for different types of laser beams (a) Gaussian, (b) elliptical-Gaussian, (c) top hat, (d) flat top, (e) ring shaped, and (f) adjustable mode beam (AMB) lasers. The laser power of each beam is 400 W for consistency.

First published: 22 May 2024

长三角G60激光联盟陈长军转载

热忱欢迎参加我们在2025年9月23-25日举办的第三届深圳eVTOL展和激光在低空经济中的应用大会（9月24日

来源：江苏激光联盟