雷射精英集 2024-03-11 09:00 上海 長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載！
前言：
焊接工藝穩定性會影響焊接品質，尤其是在大功率焊接過程中；雷射束打在材料表面造成材料迅速蒸發形成匙孔，匙孔将雷射能量鎖定在内部并轉化為熱量。該過程涉及各種實體元素的巨大變化和複雜耦合，給穩定焊接過程的實作挑戰極大。
由于能量耦合和能量偏差是影響焊接穩定性的關鍵因素，是以揭示雷射焊接過程中的能量耦合和偏差規律具有重要意義。匙孔效應對于實作能量耦合至關重要，主要有3個原因：
1、匙孔内實作雷射能量多次反射吸收；
2、匙孔内的能量分布受金屬羽流的影響；
3、雷射能量傳輸受上方金屬羽流的影響
文獻[1]研究了基于 X 射線透視的雷射熔透熔焊工藝。他們指出，在穩定功率的連續雷射焊接過程中，小孔前壁對雷射能量的吸收率，特别是匙孔前壁上的蒸發點位置變化頻繁，導緻匙孔不斷不穩定。
[1] Matsunawa A, Kim J, Seto N, Mizutani M, Katayama S (1998) Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding.
來自廣東工業大學高向東教授課題組對此做了大量研究，實驗采用大功率盤式雷射器（Trumpf 16002），最大功率為16 kW。通快 PFO 雷射掃描頭（聚焦光束直徑為 200 微米，焦距為 300 毫米）連接配接到 MOTOMAN 六軸機械臂。檢測系統由光電傳感器子產品（主要包括光電二極管）和工業相機子產品組成，旨在對焊接過程中産生的實體現象和信号進行全方位的觀察和擷取。具體而言，掃描雷射頭采集光輻射信号，然後由單向反射鏡和聚焦透鏡通過光纖傳輸到光電傳感器子產品。在光電傳感器子產品中，通過二進制鏡和濾光片将信号分為可見光信号和反射光信号。在工業相機模組中，在焊接區域上方設定了一個黑白高速相機（簡稱BW相機），與低功率二極管雷射光源和濾光片共同工作，擷取工件表面的信号熔池和鑰匙孔。場地中心是鑰匙孔位置。采用彩色相機從側面沿平行于工件的方向拍攝圖像，場心為底闆，據此可以獲得工件表面和背面産生的金屬羽流和等離子體。
闆材為6mm厚的SUS 304不鏽鋼，焊接方式為平闆焊接，雷射功率設定為 6 kW，焊接速度 2 m/min，保護氣體 Ar（流量：30 L/min，指向焊接方向），焦點位置在 - 4 到 4 毫米的範圍内變化。
a焊縫的表面（梁側）和背面。b頂行，金屬羽流；中排，飛濺/熔池表面；和底行，焊縫剖面橫截面
随着焦點位置進一步向内部熔池移動，匙孔吸收更多的雷射能量，導緻上部金屬羽流增加，金屬羽流蒸發的主要區域也逐漸向下偏移，金屬羽的巨大反沖力和剪切力迫使鎖孔根部的開口擴大，導緻更多的金屬羽體積從鎖孔根部釋放出來。随着金屬羽流從鎖孔開口釋放，在鎖孔邊緣産生的剪切力克服了液體表面張力和重力，導緻液體流走，最終導緻飛濺的發生 随着更多的金屬羽流釋放，反沖力和剪切力得到加強，産生更多的飛濺物。這是飛濺産生的原因。同時也觀察到金屬羽流體積和飛濺體積同步變化，這可以間接控制飛濺和金屬羽流。
當焦點位置在-1 到-3 mm 範圍内減小時，小孔能量吸收率增加，随着焦點的加深，金屬熔化和蒸發變大。是以，羽流反沖壓力增加 。由于來自上部金屬羽流的反沖壓力驅使小孔前壁的液體向下流動，小孔前壁的液體向下飛得越快，産生的下部飛濺就越多。
小孔前壁與焊接方向的夾角 β 由于流動較快的液體的表面張力而開始變大，而羽流主流噴出方向與小孔前壁所成的夾角 γ沒有明顯改變。據此可以推斷，在第一次雷射反射時，金屬羽流的反沖力和剪切力導緻角度α增大。随着角度α的增大，金屬羽流對小孔後壁附近的液體産生較大的反沖力和剪切力，使表面液體更快地流向熔池後方，小孔上部的開口更大。
鑰匙孔在不同時間通過同一橫截面的示意圖。三維視覺。b上方水滴狀微結構放大圖。c中間部分放大圖。d下部水滴狀微結構放大圖
在圓盤雷射焊接過程中，由于金屬羽流吸收和反射的雷射量保持在較小的水準，反射光信号主要來自于小孔内的入射雷射多次反射，反射光傳輸到焊盤的過程。雷射頭通過鎖孔上部開口。是以，随着小孔上部開口面積的增加，雷射反射信号變得更強，這也解釋了為什麼雷射反射體積與小孔上開口面積同步變化，資料和良好的外觀都證明焊接過程在焦點位置0 mm處基本穩定。
由于焦點位置在工件表面上方，雷射束在到達工件表面或小孔内部時衰減更明顯，吸收的雷射能量變少。鎖孔内的雷射束經多次反射後聚集在鎖孔上部，使鎖孔内的主能量吸收區随着焦點位置向上偏移而向上偏移。随着鎖孔底部曲率的增加，鎖孔底部液體的表面張力也随之增加，這阻礙了鎖孔底部更廣泛地打開。此外，鎖孔底部的金屬液體具有高粘度。這導緻鎖孔根部比鎖孔頂部更難打開，打開鎖孔根部比鎖孔頂部消耗更多的能量。随着主能量吸收區域向上偏移，小孔根部不太可能在 - 4 mm 的焦點位置打開，這就是為什麼較低的金屬羽流體積和較低的飛濺。
在高功率光纖雷射焊接過程中，匙孔對雷射能量保持了高吸收率，雷射全熔透焊準穩态階段熔池和匙孔的瞬态演化具有明顯的周期性特征。
吸熱的固态金屬向液态和氣态的轉化以及“準焦點減少”的産生
建立多感官融合系統，采集不鏽鋼大功率雷射焊接過程中的各種信号，并進行對比分析。通過整合多信号、焊縫成型和微觀結構，對能量偏差進行了深入讨論。它影響焊接過程中的不同實體現象，如熔池、小孔、金屬羽流和飛濺物。結論如下：
1、由于能量密度高，能量轉換劇烈，容易出現能量偏差，影響焊接穩定性。
2、 随着焊接過程的進行，後部的預熱效果變得更加明顯，進而導緻“準焦點減少”的發生。預熱作用使蒸發量增加，這是焊接不穩定的另一個原因。是以，有效控制雷射誘導蒸發被認為是調整分布和防止焊接不穩定的關鍵。它啟發我們采取措施實作焊接穩定性，以抵消工業應用中預熱的影響。例如，在檢測到能量偏差的信号特征後，可以使用提高焦點位置。
3、 由于未穿透時小孔的曲率較大，在斷面的微觀結構中經常出現分層現象，進而産生“準熱影響區”。
4、是以根據金屬羽流體積和匙孔開口大小來實時判斷匙孔形态，并同時自動調節雷射功率，確定匙孔穩定能有效的提高雷射焊接的穩定性，一定程度上保證焊接品質。
參考文獻：Ding, S., You, D., Cai, F. et al. Research on laser welding process and molding effect under energy deviation. Int J Adv Manuf Technol 108, 1863–1874 (2020).
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載！
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