德國科學家采用定製的光束整形技術來提高熱傳(chuan) 導焊接Al-Cu合金的工藝參數範圍和熔池的形成；光束整形後的峰值強度對工藝參數的範圍影響很小，小於(yu) 實際的強度分布的影響；整形後即使是對拋光後的Al-Cu合金進行熱傳(chuan) 導焊接也能實現高度穩定的熔池。

成果簡介：

熱傳(chuan) 導焊接經常用在對焊縫表麵質量要求比較高的場合以及需要精確保留化學成分的場合。來自德國的科學家研究了激光強度分布在激光焊接時，功率高至3.2KW的條件下對焊接的影響。工藝參數對熱傳(chuan) 導焊接模型，熔池的形狀，工藝的穩定性和動力學等，以及得到的產(chan) 品的表麵粗糙度均進行了分析。於(yu) 是，采用衍射光學元件來獲得三個(ge) 不同的激光能量密度，工藝過程的動力學采用高速相機進行監控。在采用顯微組織和性能分析之前，表麵粗糙度采用激光掃描顯微鏡進行了分析。采用光束整形之後，研究人員發現峰值能量並不是獲得穩定的熔池所必須的環節，能量分布的特征才是獲得穩定熔池的關(guan) 鍵。采用光束整形之後，同同一光斑尺寸的離焦的多模的工藝相比較，會(hui) 導致工藝更加穩定，擴大熱傳(chuan) 導的工藝參數區間。應用光束整形之後，得到的產(chan) 品的表麵粗糙度接近激光拋光後的表麵，同時可以擴大焊縫界麵的麵積。

成果的Graphical abstract

背景介紹

高強度的鋁合金通常用於(yu) 航空航天和汽車工業(ye) 中。由於(yu) 兩(liang) 個(ge) 部分相連接的材料性質不同，並且經常不采用力或變形進行連接，而采用了焊接進行連接的時候，往往存在一定的挑戰。尤其是EN AW-2XXX係列的鋁合金在焊接的時候麵臨(lin) 著由於(yu) 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(wei) 由於(yu) 巨大的凝固間隔而造成的最易產(chan) 生熱裂紋敏感性的鋁合金，

一個(ge) 可能解決(jue) 這一問題的辦法是采用半熔化技術，如攪拌摩擦焊（ friction stir welding (FSW)）。FSW技術是一種先進的焊接鋁合金和鎂合金的技術，因為(wei) 該技術在焊接的時候，其工作溫度低於(yu) 熔點。在1999年，無裂紋的焊縫就已經成功的獲得。然而，這些焊縫往往必須是長直焊縫，而且在焊接後表麵粗糙度比較高，因此，造成其腐蝕性會(hui) 比較差。另外一個(ge) 缺點就是裝夾的限製。最近的研究主要聚焦在通過經過激光拋光來提高焊縫的表麵粗糙度上。Kalita的研究表明，采用功率為(wei) 700W到800W的半導體(ti) 激光，在掃描速度為(wei) 1.66mm/s的條件下進行重熔，可以提高EN AW-2024 進行FSW焊接後的焊接接頭的抗點蝕能力而不會(hui) 產(chan) 生任何裂紋。

圖1. 定製的焊接光學係統

為(wei) 了避免在采用熔化焊接的技術進行焊接時所產(chan) 生的熱裂紋問題就變得更加具有挑戰性。當材料在熔化的時候，再結晶就會(hui) 發生。枝晶形貌的晶粒生長必須避免，這是因為(wei) 枝晶形貌的晶粒非常容易產(chan) 生熱裂紋和容易促進裂紋生長。在電子束進行焊接的時候，在兩(liang) 種情形下，熱傳(chuan) 導焊接和深熔焊接，均存在等軸晶粒，這是因為(wei) 低的溫度梯度，但凝固速率比較高且具有較低的熱裂紋生成傾(qing) 向。相似的，添加晶粒細化劑如TiB2，會(hui) 導致細小的等軸晶結構，而不會(hui) 產(chan) 生任何裂紋。不添加添加劑而成功的實現焊接，在較低的焊接速度為(wei) 40mm/s，較高的激光功率2.75KW，聚焦的光斑直徑為(wei) 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，高的熔化動力學會(hui) 發生在匙孔區域和一個(ge) 相對低的溫度梯度的區域，這是因為(wei) 低的掃描速度會(hui) 導致強的成分過冷和擇優(you) 晶粒生長的形成。高的掃描速度，高達120mm/s的時候，可以達到使用額外的熱源來減少熱應力低焊縫的不利影響，這是因為(wei) 此時的溫度梯度比較小。在這時，晶粒結構主要是完全的枝晶。匙孔焊接的缺點在於(yu) 表麵粗糙度比較大，以及由於(yu) 一定合金元素的選擇性的蒸發造成的化學成分的變化和氣孔的形成等。

圖2. (a) 激光束集散; (b) 在聚焦平麵上的光束輪廓; (c) 離焦時的光束輪廓; (d) 在焦平麵的橫截麵; (e) 通過離焦後得到的橫截麵（w 450m）

熱傳(chuan) 導模式的焊接（Heat conduction mode welding (HCMW)）被認為(wei) 是一種最為(wei) 穩定的激光焊接工藝，但隻有很少的一部分研究是通過這一工藝來實施的，並且在大多數的情況下被提及的也很少。Quintino 和 Assuno發表的關(guan) 於(yu) 不同鋁合金的綜合的綜述曾經非常明確的指出了上述提到的優(you) 點。Sánchez-Amaya 等人則是作者所知道的僅(jin) 有的采用HCMW對2xxx鋁合金進行研究的人員，其中一種合金就是EN AW-2024鋁合金。他們(men) 發現在采用至少2KW和最大的焊接速度為(wei) 16mm/s 的條件是實現穩定的熔池和無裂紋焊縫所必須的。合金的成分被證明對焊接性和裂紋的敏感性非常重要。

圖3. (a-c) 計算得到的光束輪廓; (d-f) 測量得到的光束輪廓; (g-i) 在測量的輪廓的橫向方向中的積分強度; (j-l) 測量的輪廓的橫截麵，每一排均進行了歸一化值到最大值以充分的顯示不同輪廓時的相對強度，白色的箭頭顯示的是焊接方向。

在1999年，Zhao等人預測了控製熔池的形狀將會(hui) 是一個(ge) 非常重要的影響合金元素蒸發和熱裂紋敏感性的非常重要的一個(ge) 手段。第一個(ge) 實驗在針對AA 6016鋁合金進行實施的時候，使用了雙激光束係統進行，分別配備的是CO2激光作為(wei) 基本的光源，脈衝(chong) Nd：YAG激光，脈衝(chong) 能量為(wei) 3J，重複工作頻率為(wei) 150HZ，脈衝(chong) 寬度為(wei) 2ms，作為(wei) 第二光源，可以有效的實現阻礙裂紋形成的效果。研究發現，ND：YAG激光的脈衝(chong) 特性和由此造成的熱溫度梯度顯著降低促進了柱狀晶向等軸晶的過渡，由此形成了等軸-球形晶粒。Hansen等人的研究結果則顯示多光斑匙孔工藝焊接EN DC01和EN 1.4301並且采用衍射光學元件對光斑進行調製獲得一個(ge) 幾乎為(wei) 矩形的橫截麵光束輪廓，從(cong) 而實現了矩形的橫截麵焊縫。Sundqvist等人的研究聚焦在數值模擬和分析優(you) 化激光點焊，且點焊時的激光束進行了整形。Funck等人則實施了采用環形輪廓的激光束的點焊實驗，顯示外部的光束枝晶會(hui) 影響到熔池的對流。

圖4. (a) HCMW，采用環形輪廓的光斑進行焊接得到的高穩定熔池，工藝參數為(wei) ：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(ge) 湍流，此時的DEF參數為(wei) ：Pw=2.6kW, v=400mm/s，(c) 後期的TMW，匙孔開始形成，但坍塌隨即產(chan) 生，此時的DEF為(wei) Pw=2.6kW, v=200mm/s. (d) 穩定的匙孔形成，LINE為(wei) Pw=2.0kW, v=100mm/s

由於(yu) 匙孔焊接會(hui) 經受表麵質量差的缺點，使得這一工藝在對焊縫表麵質量要求高的時候不太實用。相反，HCMW焊接技術卻可以產(chan) 生高質量的焊縫表麵，但焊接速度卻比較慢。因此，當前的工作目標是理清不同形狀的光斑在較高的焊接速度下的工藝參數窗口。此外，光束形狀對熔池動力學和熔池形狀以及獲得的焊縫表麵質量的影響進行研究。通過實驗觀察同模擬得到的溫度和蒸發等方麵的預測結果將進一步的厘清和提高對光束形狀變化的深入理解。

▲圖5. 在球形輪廓的光束下，在速度場相互作用區域的前部界麵的橫截麵，正如你所看到的，隻有非常低的速度的時候才會(hui) 出現在熔池。顯著高的掃描速度，在熔池表麵顯示出來，但仍然會(hui) 限製蒸發的發。工藝參數為(wei) ：Pw=2.69kW, v=50mm/s

采用的策略

實驗采用Disk激光器，最大輸出功率為(wei) 8KW（型號為(wei) TruDisk 8001, Trumpf, λ=1030nm, 150m fibre, NA=0.067），定製的光束係統為(wei) 100mm的聚焦鏡，如圖1所示。當工藝進行時伴隨廣泛的熱積累，光纖插頭采用水進行冷卻，而光學鏡片以及衍射光學元件進行氣冷。對於(yu) 光學衍射元件，非常重要的是要知道在光學衍射的位置的激光束的直徑和能量分布。為(wei) 了減少光學衍射元件在光學路徑中的軸向調準，采用了一個(ge) 準直的激光束。使用小刀邊緣和高斯誤差函數的辦法，拆卸式聚焦透鏡的光束直徑確定為(wei) 距離為(wei) 100mm到300mm，從(cong) 低的光學鏡片邊緣來證實其準直性，見圖1所示。

▲圖6. 在加工參數為(wei) v=50mm/s的條件下在不同的光束模式下得到的橫截麵組織：a) 環形光束， Pw=0.67kW b) 點光斑 Pw=0.66kW c)衍射光學光斑 Pw=0.86kW d) 線光斑 Pw=0.68kW

▲圖7. 在不同參數條件下得到的沒有進行拋光時的焊縫的俯視圖：a) 環形光斑 Pw=1.35kW, v=25mm/s和一個(ge) 非常明顯的晶粒結構；b) 點光斑 Pw=1.31kW, v=50mm/s 和演化無留存在上麵；c) 線光斑 Pw=1.35kW, v=50mm/s。d) 衍射光斑 Pw=1.71kW, v=100mm/s

主要結論

采用光學衍射元件進行光束整形，使得其改變熔池的尺寸，形狀以及熔池動力學成為(wei) 可能。因此，HEMW的工藝窗口可以顯著的通過整形後能量密度分布的不同而得到增加，並且會(hui) 顯著的得到比激光拋光效果還要好的焊縫表麵。在目前的研究工作中，環形輪廓的激光光斑具有最大的工藝窗口，或得到最好的表麵焊縫質量。同采用高斯分布的激光光斑相比較，此時的能量分布峰值並不會(hui) 導致一個(ge) 不穩定的熔池，但其能量分布本身卻產(chan) 生較大的差別，尤其是在線性光斑和點光斑的時候。熔池的尺寸，即熔池深度和熔池長度，會(hui) 受到影響，此時熔池前端直接模仿BP，而在再凝固的前端則不會(hui) 。數值模擬預測到激光功率的耦合效應可以通過光束整形得到提高，這一點同實驗結果相一致，顯示在同一加工參數下得到的焊縫的不同的橫截麵。模擬結果也顯示少，盡管熔池體(ti) 積的均值溫度是相當的，表麵溫度的均值和由此造成的蒸氣壓在BPs之間是不同的。

因此，當前的工作對采用光束整形進行優(you) 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於(yu) 巨大的可以實現的掃描速度和得到較大的橫截麵麵積，具有較小的工藝動力學的熔池而提高工藝穩定性。為(wei) 了實現光束輪廓定製的目標以滿足個(ge) 性化的焊接工藝需求，需要進一步的研究來確保光束整形及其它對工藝動力學和焊接質量的要求。

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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,