德國(guó)科學(xué)家采用定制的光束整形技術(shù)來提高熱傳導(dǎo)焊接Al-Cu合金的工藝參數(shù)范圍和熔池的形成；光束整形后的峰值強(qiáng)度對(duì)工藝參數(shù)的范圍影響很小，小于實(shí)際的強(qiáng)度分布的影響；整形后即使是對(duì)拋光后的Al-Cu合金進(jìn)行熱傳導(dǎo)焊接也能實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定的熔池。
成果簡(jiǎn)介：
熱傳導(dǎo)焊接經(jīng)常用在對(duì)焊縫表面質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)合以及需要精確保留化學(xué)成分的場(chǎng)合。來自德國(guó)的科學(xué)家研究了激光強(qiáng)度分布在激光焊接時(shí)，功率高至3.2KW的條件下對(duì)焊接的影響。工藝參數(shù)對(duì)熱傳導(dǎo)焊接模型，熔池的形狀，工藝的穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)等，以及得到的產(chǎn)品的表面粗糙度均進(jìn)行了分析。于是，采用衍射光學(xué)元件來獲得三個(gè)不同的激光能量密度，工藝過程的動(dòng)力學(xué)采用高速相機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。在采用顯微組織和性能分析之前，表面粗糙度采用激光掃描顯微鏡進(jìn)行了分析。采用光束整形之后，研究人員發(fā)現(xiàn)峰值能量并不是獲得穩(wěn)定的熔池所必須的環(huán)節(jié)，能量分布的特征才是獲得穩(wěn)定熔池的關(guān)鍵。采用光束整形之后，同同一光斑尺寸的離焦的多模的工藝相比較，會(huì)導(dǎo)致工藝更加穩(wěn)定，擴(kuò)大熱傳導(dǎo)的工藝參數(shù)區(qū)間。應(yīng)用光束整形之后，得到的產(chǎn)品的表面粗糙度接近激光拋光后的表面，同時(shí)可以擴(kuò)大焊縫界面的面積。
成果的Graphical abstract
背景介紹
高強(qiáng)度的鋁合金通常用于航空航天和汽車工業(yè)中。由于兩個(gè)部分相連接的材料性質(zhì)不同，并且經(jīng)常不采用力或變形進(jìn)行連接，而采用了焊接進(jìn)行連接的時(shí)候，往往存在一定的挑戰(zhàn)。尤其是EN AW-2XXX系列的鋁合金在焊接的時(shí)候面臨著由于巨大的凝固間隔而造成的熱裂紋問題，使得EN AW-2024鋁合金成為由于巨大的凝固間隔而造成的最易產(chǎn)生熱裂紋敏感性的鋁合金，
一個(gè)可能解決這一問題的辦法是采用半熔化技術(shù)，如攪拌摩擦焊（ friction stir welding (FSW)）。FSW技術(shù)是一種先進(jìn)的焊接鋁合金和鎂合金的技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)在焊接的時(shí)候，其工作溫度低于熔點(diǎn)。在1999年，無裂紋的焊縫就已經(jīng)成功的獲得。然而，這些焊縫往往必須是長(zhǎng)直焊縫，而且在焊接后表面粗糙度比較高，因此，造成其腐蝕性會(huì)比較差。另外一個(gè)缺點(diǎn)就是裝夾的限制。最近的研究主要聚焦在通過經(jīng)過激光拋光來提高焊縫的表面粗糙度上。Kalita的研究表明，采用功率為700W到800W的半導(dǎo)體激光，在掃描速度為1.66mm/s的條件下進(jìn)行重熔，可以提高EN AW-2024 進(jìn)行FSW焊接后的焊接接頭的抗點(diǎn)蝕能力而不會(huì)產(chǎn)生任何裂紋。
圖1. 定制的焊接光學(xué)系統(tǒng)
為了避免在采用熔化焊接的技術(shù)進(jìn)行焊接時(shí)所產(chǎn)生的熱裂紋問題就變得更加具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)材料在熔化的時(shí)候，再結(jié)晶就會(huì)發(fā)生。枝晶形貌的晶粒生長(zhǎng)必須避免，這是因?yàn)橹蚊驳木Я７浅Ｈ菀桩a(chǎn)生熱裂紋和容易促進(jìn)裂紋生長(zhǎng)。在電子束進(jìn)行焊接的時(shí)候，在兩種情形下，熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊接，均存在等軸晶粒，這是因?yàn)榈偷臏囟忍荻?，但凝固速率比較高且具有較低的熱裂紋生成傾向。相似的，添加晶粒細(xì)化劑如TiB2，會(huì)導(dǎo)致細(xì)小的等軸晶結(jié)構(gòu)，而不會(huì)產(chǎn)生任何裂紋。不添加添加劑而成功的實(shí)現(xiàn)焊接，在較低的焊接速度為40mm/s，較高的激光功率2.75KW，聚焦的光斑直徑為0.45mm到0.60mm的條件下。焊縫主要由等軸枝晶所組成。這樣看來，高的熔化動(dòng)力學(xué)會(huì)發(fā)生在匙孔區(qū)域和一個(gè)相對(duì)低的溫度梯度的區(qū)域，這是因?yàn)榈偷膾呙杷俣葧?huì)導(dǎo)致強(qiáng)的成分過冷和擇優(yōu)晶粒生長(zhǎng)的形成。高的掃描速度，高達(dá)120mm/s的時(shí)候，可以達(dá)到使用額外的熱源來減少熱應(yīng)力低焊縫的不利影響，這是因?yàn)榇藭r(shí)的溫度梯度比較小。在這時(shí)，晶粒結(jié)構(gòu)主要是完全的枝晶。匙孔焊接的缺點(diǎn)在于表面粗糙度比較大，以及由于一定合金元素的選擇性的蒸發(fā)造成的化學(xué)成分的變化和氣孔的形成等。
圖2. (a) 激光束集散; (b) 在聚焦平面上的光束輪廓; (c) 離焦時(shí)的光束輪廓; (d) 在焦平面的橫截面; (e) 通過離焦后得到的橫截面（w 450m）
熱傳導(dǎo)模式的焊接（Heat conduction mode welding (HCMW)）被認(rèn)為是一種最為穩(wěn)定的激光焊接工藝，但只有很少的一部分研究是通過這一工藝來實(shí)施的，并且在大多數(shù)的情況下被提及的也很少。Quintino 和 Assuno發(fā)表的關(guān)于不同鋁合金的綜合的綜述曾經(jīng)非常明確的指出了上述提到的優(yōu)點(diǎn)。Sánchez-Amaya 等人則是作者所知道的僅有的采用HCMW對(duì)2xxx鋁合金進(jìn)行研究的人員，其中一種合金就是EN AW-2024鋁合金。他們發(fā)現(xiàn)在采用至少2KW和最大的焊接速度為16mm/s 的條件是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔池和無裂紋焊縫所必須的。合金的成分被證明對(duì)焊接性和裂紋的敏感性非常重要。
圖3. (a-c) 計(jì)算得到的光束輪廓; (d-f) 測(cè)量得到的光束輪廓; (g-i) 在測(cè)量的輪廓的橫向方向中的積分強(qiáng)度; (j-l) 測(cè)量的輪廓的橫截面，每一排均進(jìn)行了歸一化值到最大值以充分的顯示不同輪廓時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度，白色的箭頭顯示的是焊接方向。
在1999年，Zhao等人預(yù)測(cè)了控制熔池的形狀將會(huì)是一個(gè)非常重要的影響合金元素蒸發(fā)和熱裂紋敏感性的非常重要的一個(gè)手段。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)在針對(duì)AA 6016鋁合金進(jìn)行實(shí)施的時(shí)候，使用了雙激光束系統(tǒng)進(jìn)行，分別配備的是CO2激光作為基本的光源，脈沖Nd：YAG激光，脈沖能量為3J，重復(fù)工作頻率為150HZ，脈沖寬度為 2ms，作為第二光源，可以有效的實(shí)現(xiàn)阻礙裂紋形成的效果。研究發(fā)現(xiàn)，ND：YAG激光的脈沖特性和由此造成的熱溫度梯度顯著降低促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶的過渡，由此形成了等軸-球形晶粒。Hansen等人的研究結(jié)果則顯示多光斑匙孔工藝焊接EN DC01和EN 1.4301并且采用衍射光學(xué)元件對(duì)光斑進(jìn)行調(diào)制獲得一個(gè)幾乎為矩形的橫截面光束輪廓，從而實(shí)現(xiàn)了矩形的橫截面焊縫。Sundqvist等人的研究聚焦在數(shù)值模擬和分析優(yōu)化激光點(diǎn)焊，且點(diǎn)焊時(shí)的激光束進(jìn)行了整形。Funck等人則實(shí)施了采用環(huán)形輪廓的激光束的點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，顯示外部的光束枝晶會(huì)影響到熔池的對(duì)流。
圖4. (a) HCMW，采用環(huán)形輪廓的光斑進(jìn)行焊接得到的高穩(wěn)定熔池，工藝參數(shù)為：Pw=2.7kW, v=25mm/s，橢圓形的虛線顯示的是熔池的尺寸且部分被氧化物層所隱藏; (b) 早期的TMW，熔池的第一個(gè)湍流，此時(shí)的DEF參數(shù)為：Pw=2.6kW, v=400mm/s，(c) 后期的TMW，匙孔開始形成，但坍塌隨即產(chǎn)生，此時(shí)的DEF為Pw=2.6kW, v=200mm/s. (d) 穩(wěn)定的匙孔形成，LINE為 Pw=2.0kW, v=100mm/s
由于匙孔焊接會(huì)經(jīng)受表面質(zhì)量差的缺點(diǎn)，使得這一工藝在對(duì)焊縫表面質(zhì)量要求高的時(shí)候不太實(shí)用。相反，HCMW焊接技術(shù)卻可以產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫表面，但焊接速度卻比較慢。因此，當(dāng)前的工作目標(biāo)是理清不同形狀的光斑在較高的焊接速度下的工藝參數(shù)窗口。此外，光束形狀對(duì)熔池動(dòng)力學(xué)和熔池形狀以及獲得的焊縫表面質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。通過實(shí)驗(yàn)觀察同模擬得到的溫度和蒸發(fā)等方面的預(yù)測(cè)結(jié)果將進(jìn)一步的厘清和提高對(duì)光束形狀變化的深入理解。
▲圖5. 在球形輪廓的光束下，在速度場(chǎng)相互作用區(qū)域的前部界面的橫截面，正如你所看到的，只有非常低的速度的時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)在熔池。顯著高的掃描速度，在熔池表面顯示出來，但仍然會(huì)限制蒸發(fā)的發(fā)。工藝參數(shù)為：Pw=2.69kW, v=50mm/s
采用的策略
實(shí)驗(yàn)采用Disk激光器，最大輸出功率為8KW（型號(hào)為TruDisk 8001, Trumpf, λ=1030nm, 150m fibre, NA=0.067），定制的光束系統(tǒng)為100mm的聚焦鏡，如圖1所示。當(dāng)工藝進(jìn)行時(shí)伴隨廣泛的熱積累，光纖插頭采用水進(jìn)行冷卻，而光學(xué)鏡片以及衍射光學(xué)元件進(jìn)行氣冷。對(duì)于光學(xué)衍射元件，非常重要的是要知道在光學(xué)衍射的位置的激光束的直徑和能量分布。為了減少光學(xué)衍射元件在光學(xué)路徑中的軸向調(diào)準(zhǔn)，采用了一個(gè)準(zhǔn)直的激光束。使用小刀邊緣和高斯誤差函數(shù)的辦法，拆卸式聚焦透鏡的光束直徑確定為距離為100mm到300mm，從低的光學(xué)鏡片邊緣來證實(shí)其準(zhǔn)直性，見圖1所示。
▲圖6. 在加工參數(shù)為v=50mm/s的條件下在不同的光束模式下得到的橫截面組織：a) 環(huán)形光束， Pw=0.67kW b) 點(diǎn)光斑 Pw=0.66kW c)衍射光學(xué)光斑 Pw=0.86kW d) 線光斑 Pw=0.68kW
▲圖7. 在不同參數(shù)條件下得到的沒有進(jìn)行拋光時(shí)的焊縫的俯視圖：a) 環(huán)形光斑 Pw=1.35kW, v=25mm/s和一個(gè)非常明顯的晶粒結(jié)構(gòu)；b) 點(diǎn)光斑 Pw=1.31kW, v=50mm/s 和演化無留存在上面；c) 線光斑 Pw=1.35kW, v=50mm/s。d) 衍射光斑 Pw=1.71kW, v=100mm/s
主要結(jié)論
采用光學(xué)衍射元件進(jìn)行光束整形，使得其改變?nèi)鄢氐某叽纾螤钜约叭鄢貏?dòng)力學(xué)成為可能。因此，HEMW的工藝窗口可以顯著的通過整形后能量密度分布的不同而得到增加，并且會(huì)顯著的得到比激光拋光效果還要好的焊縫表面。在目前的研究工作中，環(huán)形輪廓的激光光斑具有最大的工藝窗口，或得到最好的表面焊縫質(zhì)量。同采用高斯分布的激光光斑相比較，此時(shí)的能量分布峰值并不會(huì)導(dǎo)致一個(gè)不穩(wěn)定的熔池，但其能量分布本身卻產(chǎn)生較大的差別，尤其是在線性光斑和點(diǎn)光斑的時(shí)候。熔池的尺寸，即熔池深度和熔池長(zhǎng)度，會(huì)受到影響，此時(shí)熔池前端直接模仿BP，而在再凝固的前端則不會(huì)。數(shù)值模擬預(yù)測(cè)到激光功率的耦合效應(yīng)可以通過光束整形得到提高，這一點(diǎn)同實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，顯示在同一加工參數(shù)下得到的焊縫的不同的橫截面。模擬結(jié)果也顯示少，盡管熔池體積的均值溫度是相當(dāng)?shù)模砻鏈囟鹊木岛陀纱嗽斐傻恼魵鈮涸贐Ps之間是不同的。
因此，當(dāng)前的工作對(duì)采用光束整形進(jìn)行優(yōu)化激光焊接的工藝就有非常巨大的潛力。光束整形可以保證由于巨大的可以實(shí)現(xiàn)的掃描速度和得到較大的橫截面面積，具有較小的工藝動(dòng)力學(xué)的熔池而提高工藝穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)光束輪廓定制的目標(biāo)以滿足個(gè)性化的焊接工藝需求，需要進(jìn)一步的研究來確保光束整形及其它對(duì)工藝動(dòng)力學(xué)和焊接質(zhì)量的要求。
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文章來源：Optics and Lasers in Engineering,Volume 115, April 2019, Pages 179-189,Shaped laser beam profiles for heat conduction welding of aluminium-copper alloys,
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