有关光纤激光焊接的深入研究
Coherent 高意应用实验室的工程师们在欧洲同步加速器辐射装置中使用非常强大的 X 射线获得了 ARM 激光焊接过程中的第一个高分辨率横截面视图。
2023 年 5 月 30 日，作者：Coherent 高意
如果 x 射线比普通的胸部 x 射线要亮 100 万亿倍，您会怎么处理呢？ 如果您是 Coherent 高意应用实验室的工程师，您可以使用 x 射线来详细了解任何人以前所不知道的激光焊接过程。
光纤激光焊接的表面之下
过去曾使用传统的高速视频对光纤激光焊接进行了广泛研究。该视频为研究焊接过程中产生的熔融金属和蒸汽池（称为“小孔”）的动力学原理提供了参考。通常，相机放置在零件上方并从俯视的角度来记录表面发生的情况。但是，小孔内发生的变化比从顶部看到的要多得多。
我们怎样才能真正了解零件内部发生的变化呢？ 人们过去曾通过 X 射线视频来实现此目的。但这些视频始终无法提供足够的细节，因为 X 射线源不够强大。
伊尔默瑙工业大学的生产技术团队与汉堡 Coherent 高意应用实验室之间展开研究合作，他们曾设想使用比以往任何时候都更强大的 X 射线源来达到此目的。这个想法是使用足够强大的 X 射线直接穿过固体金属。
这将允许从侧面观看焊接过程的高分辨率影像。从侧面观看会揭示更多有用的信息 – 即焊接过程中小孔的确切形状和演变。
提高 ARM 光纤激光焊接性能
该团队特别想使用这种方法来研究 Coherent 高意可调环模光纤激光器 (FL-ARM) 的运行。我们已经知道 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。我们知道这是因为 ARM 激光器能够在焊接过程中精确控制零件的加热和冷却。但我们并不总是了解这一切是如何发生，不了解其中的每一个细微差别。
该团队特别希望了解光纤激光器在完成电动汽车中各种连接任务方面的一些非常关键且具挑战性的新兴应用。具体来说，就是焊接铜、铝以及其他人们认为比较难焊接的材料 – 并且通常使用非常薄的热敏板材进行焊接。他们还对研究所谓的“轮廓焊接”很感兴趣。这是制造管材的常用方法。
这项研究旨在通过直观呈现焊接过程和揭示小孔动力学原理，以及了解不同 ARM 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。当然，目标是改善结果并开发更可靠的生产方法。
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 射线来执行团队所需的那种成像工作。最有名的地点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)。它专门为健康、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。它甚至被用来研究蜂巢和 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。
然后，这些 X 射线被引导至 44 条不同的“光束线”中的一条或多条。光束线内设有用于进行实际研究的实验室和相关仪器。
不拘一格进行实验
我们的 Coherent 高意应用实验室团队组装了一个焊接装置，其中包括 8 kW HighLight FL-ARM 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机制，以及聚焦光学系统和辅助气体输送系统。
所有这些设备都被带到 ESRF 并放置在其中一条光束线上的“实验舱”（一个完全包裹在 75 毫米厚的实心铅屏蔽层内的房间）中。我们的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 帧的速度记录下焊接动作。这个由 14 人组成的团队连续 7 天四班倒工作，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。
我们从这一过程中获得了哪些信息？ 要分析 14 TB 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，在适当的功率分布（中心梁和环形梁的功率大致相等）下，小孔表现稳定，小孔底部没有收缩。相反，当中心光斑功率过高时，毛细管会在底部收缩。这将导致飞溅和形成气孔。如果环功率太高，熔融物会溢出到小孔中，突然蒸发，并导致材料喷射。
此外，团队还研究了保护气体对毛细管形成的影响。这些发现提供了对型材焊接的更深入洞察。
对数据的进一步分析将有助于我们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 高意应用实验室 开发更强大和一致的焊接工艺配方，为我们的客户提供更好甚至更快的结果。
