利用X射线成像深入研究激光焊接过程

时间： 2023-11-17 来源：Coherent高意激光公众号

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环模光纤激光器,ARM激光器,HighLight FL-ARM,II-VI MARLOW

研究人员使用强X射线获得了ARM激光焊接过程中的高分辨率图像，深入研究焊接过程，有助于更好的开发工艺。

Coherent应用实验室的工程师，在X射线的帮助下，对ARM环模光纤激光焊接过程进行了更加深入的研究。

激光焊接的材料表面之下发生了什么？

过去，研究人员曾使用传统的高速摄像，对环模光纤激光焊接过程进行了广泛研究。高速摄像为研究焊接过程中产生的熔池和匙孔的动力学原理提供了参考。

通常是将相机放置在零件上方，从俯视的角度来记录焊接表面发生的情况。但是，匙孔内发生的变化比从顶部看到的要多得多。

怎样才能真正了解工件内部发生的变化呢？人们过去曾通过X射线摄像来实现此目的。但这些摄像始终无法提供足够的细节，因为X射线强度不够。

德国伊尔默瑙工业大学的技术团队与Coherent汉堡应用实验室之间展开研究合作，他们设想用更强大的X射线源直接穿过固态金属，来看清材料内部发生的变化。这允许从侧面观看焊接过程的高分辨率影像，从而能够看到焊接过程中匙孔的确切形状和变化。

提高ARM光纤激光焊接性能

该团队使用这种方法研究了Coherent可调环模光纤激光器（FL-ARM）的焊接。FL-ARM提供了惊人的结果——高强度钢的无裂纹焊接、无填充焊丝的铝焊接以及铜的成功焊接。这主要得益于ARM激光器能够在焊接过程中精确控制零件材料的加热和冷却；但我们并不完全了解这一切是如何发生，不了解每个环节的细微差别。

该团队研究了光纤激光器在焊接铜、铝以及其他比较难焊接的非常薄的热敏板材的焊接过程。他们通过直观呈现焊接过程、揭示匙孔动力学原理，并了解不同芯环激光功率分布对铜材料焊接过程中飞溅形成的影响，从而更深入地探讨所有这些过程的工作原理。研究的最终目标是改善焊接结果，并开发更可靠的焊接方法。

欧洲同步辐射装置

全世界只有少数装置可以产生足够强大的X射线，来执行该团队所需要的那种成像工作。其中最有名的强大X射线源之一，是位于法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射装置极亮源（ESRF-EBS），专门为健康、清洁能源、材料科学、艺术和人类学等不同领域的研究人员提供服务，它甚至被用于研究蜂巢和1.19亿年前的鱼类化石。

同步加速器本身是一个周长为844米的管，内部真空度非常高。电子在其中环绕并被加速到接近光速。环周围的磁铁用于使电子快速改变其行进方向，发生这种情况时，电子会发出异常高能的X射线。

这些X射线随后被向下引导至44条不同方向。这些射线用于进行研究的实验室和相关仪器中，如基础研究、探测微观结构等。

创造性的实验

Coherent应用实验室团队组装了一个焊接装置，其中包括8kW HighLight FL-ARM环模光纤激光器。来自伊尔默瑙工业大学生产技术团队的研究小组构建了一种在焊接过程中自动固定和移动零件的装置，以及聚焦光学系统和辅助气体。

所有这些设备都被带到ESRF、并放置在其中一条射线的“实验舱”（一个完全包裹在75mm厚的实心铅屏蔽层内的房间）中。研究人员安全地坐在一段距离之外的另一个房间里，在计算机控制下进行焊接，同时将装置暴露在X射线下。将X射线转换为可见光的摄像头系统，以每秒50,000帧的速度记录焊接过程。研究团队对包括不锈钢、铜和铝在内的各种金属，进行了数百次单独的焊接测试。

这一过程提供了哪些信息呢？这要分析14TB的数据，要完全回答这个问题需要一些时间。但我们已经看到，在铜汇流排焊接测试中，视频清楚地表明：在适当的功率分配下（中心光斑和环形光斑的功率大致相等），匙孔表现稳定，匙孔底部没有收缩；相反，当中心光斑功率过高时，匙孔会在底部收缩，这将导致飞溅和形成气孔；如果环功率太高，熔融物会溢出到匙孔中，突然蒸发，并导致材料喷射。

此外，该团队还研究了保护气体对匙孔形成的影响，这些发现提供了对焊接的更深入洞察。对数据的进一步分析，将有助于更好地准确了解中心光束和环形光束之间的功率比，如何影响各种焊接工艺的结果。

这些知识将帮助Coherent应用实验室开发更强大和稳定一致的焊接工艺，为客户提供更好、更快的焊接工艺。

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