形状的激光束对激光焊接结果的影响

简介
在这篇文章中，我们讨论了异形激光束轮廓对熔体热流的影响。这一讨论是基于西部大学和光子学与纳米技术研究所的科学家们的研究。激光束热源的应用使熔接成为可能，因为它们可以进行非接触操作，以紧密集中的热量输入进行精密工作，管理复杂的接头几何形状，以及通常快速的后处理操作持续时间。激光束的物理特性及其对熔化焊接的影响是很重要的。当入射激光辐射的功率密度（即每单位体积的功率量）增加时，传导模式、过渡模式和锁孔模式都会被连续检测到。传导模式是指热量传递几乎是通过热传导发生的。钥匙孔模式通常由强烈的汽化来识别。过渡模式是指从热传导模式到锁孔模式的过渡。

对过渡模式的描述突出了珠子深度与宽度比率的适度增长，这是由于适度的金属汽化随着激光功率密度的增加而增加。因此，键孔和传导模式的特性在焊缝中被结合起来。本研究中使用的传导模式引起的汽化量很小。它导致了对强大的机械质量至关重要的合金成分的少量损失，而且它经常导致高工艺稳定性，孔隙率和飞溅最小。
 

图1：激光研究的计算域示意图。图片来源：Elsevier

使用激光热源进行焊接也有一些缺点。在光纤下游的发射激光点在与光束轴线的法线部分是轴向对称的。这种圆形的形式并不总是适合实现正确的接缝几何形状，因为它可能导致，例如，尖锐的趾角。当填充金属丝被送入激光束进行焊接（或增材制造）时，金属丝经常阻挡光束，并在相互作用区的部分工件上投下阴影；这种阴影效应会导致工艺不稳定。对接焊给出了另一个缺点的例子。较低的激光束宽度与机器人操作相结合，会导致产生焊接缺陷，这些缺陷往往缺乏侧壁熔合，焊接强度不足。研究这些缺点的方法之一是使用数值工具（例如，见图1）。

成型的激光束及其光斑区域
通过修改光斑面积、形状、功率密度分布或这些特性的任何组合，异形激光束可以提高工艺稳定性和焊缝几何形状（见图2和图3）。它可以通过倾斜光束来完成，研究光束入射角对锁孔焊接对接的影响。也可以对光束光斑进行散焦，以研究对糊化区自由表面再结晶方向的影响。在光束整形设备的帮助下，可以扩大光束点功率密度分布的范围。
 

回顾了用光束整形进行焊接的最初进展，以定制焊缝的几何形状。当使用两点和三点光束轮廓进行焊接时，研究人员创造了一个独特的多光谱硫化锌光束整形光学镜，以增强焊缝表面的过程。研究人员最近研究了使用激光光束整形进行焊接，以定制微结构。目前已经有几种光束成形技术，来自像多光点光学器件这样的专门系统。然而，创建能产生预期结果的轮廓仍然是一个重大挑战。为此，了解光束的形式如何影响焊接过程的稳定性和焊缝的质量是必要的。
 

图2：凝固后熔池形状的金相图（左）与预测的熔体热流池等温线（右）的比较。图片来源：Elsevier

研究人员最近进行了一项实验研究，以确定倾斜加工激光器将光斑形状向不同方向延伸的影响。除了方向之外，拉长产生的高斯-椭圆形轮廓的主次轴比大约为1.4。他们特别研究了使用横向和纵向的高斯-椭圆光斑轮廓如何导致增加/减少接缝宽度和深度，这些都是相互平衡的。他们从能量守恒原理推断，当光斑方向改变时，熔体热流池的体积应保持不变。

异形激光束的高斯-椭圆光斑轮廓
这一假设隐含着这样的假设：当使用横向和纵向高斯-椭圆光斑轮廓时，熔池中的热对流模式是相似的（除了被旋转之外）。这一假设需要得到验证，因为熔池体积无法进行实验观察。

衍射光学元件（DOE）被用来检查线状、对齐的点状和环状激光光斑轮廓。他们确定后部很难预测，直到使用熔池模拟或实验观察（见图3和图4），他们观察到光束形式对熔体尾部区域的再凝固前沿的几何形状有非线性影响。由于环形轮廓的存在，工艺窗口可以向高行进速度方向明显延长，环形轮廓是通过施加非均匀的功率密度分布来削弱热毛细管流的。在行进方向上，拉长的线和点轮廓的宽度和总功率密度是相同的。
 

图3：凝固后工件的数值研究和实验的比较。图片来源：Elsevier

然而，与点状轮廓相比，线状轮廓产生了更深、更窄的缝隙几何。科学家们解释了这些珠子几何形状的变化，声称线状轮廓中存在的明显波浪鼓励更好地吸收成型的激光束能量。波浪的存在表明，热对流对于这两种剖面可能也有一定的不同。然而，在这两种情况下，没有检查熔体的热流。

改进数值模拟的未来研究
研究人员强调，改变激光束的形状是一项困难的工作，主要是通过实验和试错来完成的。他们提出，可能会有数值模型的支持，可能会预见光束成型对焊缝的影响。这些模型将提供测量尚不能达到的数据，以及更好地了解过程如何工作，这可能会减少实验试验的数量。

目前缺乏数值模拟（见图4）来实现梁的形状设计和优化。这些作者的结论是，热传导模型过于简化，无法准确模拟熔体热流池的几何形状并协助塑造梁。他们确实预测，一个关键的物理现象是热对流对接缝形状的影响，这一点至关重要。最近，一些研究人员采用了热流体动力学模型，将估计的熔体热流池温度和表面蒸发压力纳入实验观察中。
 

图4：熔体热流池的流线。照片由Elsevier提供

从上述内容可以看出，目前关于弯曲的激光束轮廓对通过熔体热流动态的热对流的影响的信息非常少。为了能够为特定的目的开发和优化光束形式，拥有这种专业知识是至关重要的。因此，需要额外的研究来发展这种认识。