红外激光焊接高反材料时采用功率调制提高能量耦合效应

江苏激光联盟导读：

能量耦合效应在采用红外激光焊接高反材料时，通过功率调制可以极大地提高焊接效率；得到了能量耦合效率和调制参数之间地经验公式；半三明治结构地异种金属设计出来来通过高速摄影技术进行匙孔效应地比较；采用激光功率调制来焊接高反材料的能量耦合机制进行了分析。

成果简介:

高反材料，如镁合金，铜合金，铝合金等， 这类材料对红外激光焊接时的热效应比较低。选择Z31镁合金来研究功率调制对能量耦合效应的条件下进行激光焊接时对高反的影响。获得了能量耦合效应和调制参数之间的模型。优化的调制功率的激光焊接参数，在能量耦合的条件下，是固定的激光功率条件下结果的1.58倍。通过分析匙孔效应的演化来获得其机制，得到气压在焊接过程中沿着匙孔壁的分布。匙孔演化在连续激光焊接普通的Q345（反射率为 65%）和高反材料（Z31镁合金，反射率为 85%）的条件下，采用高速摄影技术利用半三明治技术进行了分析。结果显示，在使用功率调制的办法进行激光焊接高反材料时，提高能量耦合效应的秘密在于形成了深的匙孔和其存在寿命长。当瞬间的激光功率自峰值功率下降的时候,依然在匙孔底部存在反冲气压来抵制液态金属的表面张力和静压力,这是匙孔在较大的深度依然存在长寿命的基本原因。

成果的Graphical abstract

背景简介:

由于激光焊接技术具有高的能量密度，小的焊接热影响区，大的焊缝纵宽比，小的变形，高的焊接制造效率和柔性控制等优点，使得激光焊接技术广泛的应用在工业中和带来巨大的经济效益。由于激光焊接是一种基于声光效应的热加工过程，其前提在于基体金属吸收光能和转换成热能；激光焊接能否成功实现，严重的依赖基体金属对激光的吸收率。对于一些工程中的高反材料，然而，激光在焊接时会发生反射，因此能量耦合效应就非常低，这就阻碍了激光作为热能实现焊接的优势。诸如铝合金、镁合金、纯铜等材料、对红外激光的吸收率非常低，如图1所示。图1为红外激光对不同材料的吸收率。自图1(a)中可以观察到,钢对红外激光的吸收率是镁合金的2.5倍，铝合金的3.1倍，是金银铜的36倍。对于高反材料，在匙孔中的激光束的多个反射是激光焊接工艺在深熔焊时可以实现能量吸收的主要机制。图1(b)显示的是在深熔焊接不同反射率的材料的时候在匙孔壁的能量吸收图。自图1I(b)可以看出，低的能量吸收率导致低的能量耦合。能量沿着深度方向的匙孔分布加速在激光焊接高反材料时的匙孔不稳定性，由此导致气孔，连接接头不好和下凹的缺陷生成。

▲图1. (a)不同材料对红外激光的吸收率; (b)在红外激光焊接不同的反射率的材料时,匙孔内壁吸收的能量分布的示意图

镁合金材料，具有密度低，高比强度和高比刚度以及可回收等优点，在不同的场合如汽车，电子和航空航天等场合得到应用。激光作为一种热源，同其他热源相比较，具有非常大的优势，尤其是在焊接高反材料如镁合金等材料中更是如此。红外激光在波长大于 1 μm的时候对金属具有较大的反射率，在焊接镁合金时降低了能量耦合效应和稳定性。例如，关于激光焊接镁合金的许多研究主要集中在气孔的移除等方面。Pang等人认为高速焊接对移除匙孔和减少气孔有利。然而，在激光焊接镁合金的时候，提高其耦合效率和匙孔的行为等方面还非常少。一些办法，如表面预处理，添加额外的材料和辅助气体的适应性等，均表明对提高激光焊接高反材料如铜合金是有利的。而这些办法却并不适合应用于镁合金的焊接。预处理产生的表面氧化物会加速激光焊接镁合金时的气孔问题。而且，在焊缝中会产生气孔，在表面质量下降。高功率激光的应用可以提高整个的能量吸收和焊接深度，但同时导致焊接成本升高。在近年来，Heider等人和Zhang等人提出了一个能量调制的办法来提高对铜合金的耦合和镁合金的耦合.结合X射线和高速摄影，Heider等人观察到在激光焊接纯铜时的耦合效应和发现能量调制可以提高匙孔的稳定性。Zhang的研究结果表明功率调制的办法可以提高匙孔的稳定性且在低功率密度的范围内实现，而相关的机制却没能研究。在当前，镁合金的匙孔演化和功率调制对能量耦合的影响对激光焊接的作用目前尚不清楚。

▲图2. 沿着纵向界面计算FZ区域的示意图

当前的研究中，采用AZ31镁合金作为测试材料来研究功率在正弦曲线调制的条件下对激光焊接镁合金的影响。利用高速摄影，采用半三明治的办法用来观察在焊接过程中的匙孔的演化。能量密度的分布和气压沿着匙孔壁的分布均采用分析的办法进行了研究，并考虑到了能量转换和力的平衡。此外，功率调制在采用激光焊接镁合金时,能量耦合效应对深熔焊的影响也进行了揭示。

▲图3. 采用不同材料的半三明治手段来比较瞬时激光功率对材料的匙孔深度的影响,材料的反射率不一样,采用CCD高速摄影进行揭示

▲图4. 激光焊接在(a)固定功率和(b)调制功率的条件下的焊缝的形貌图

▲图5. 激光焊接AZ31镁合金焊接接头的横向截面的形貌

▲图6. 激光焊接AZ３１镁合金焊接接头纵向横截面的形貌图

▲图7. 半三明治样品的FZ的纵向横截面

▲图８. 能量耦合效应在优化的参数下通过功率调制得到显著的提高

▲图9. 高速摄影观察到的匙孔(AP = 2.1 kW, v = 4 m/min, f = −2 mm, A = 840 W, F = 100 Hz).

▲图１０. 在不同的频率下激光焊接Q345钢和AZ31 镁合金时，采用高速摄影观察到的匙孔(AP = 2.1 kW, v = 4 m/min, f = −2 mm, A = 840 W)

▲图13. Evolution of intensity of laser beams subjected to multi-reflections on inner wall of the keyhole with power (red numbers in (b) indicating reflection of laser beams on the inner wall of the keyhole, AP = 2.1 kW, v = 4 m/min, f = −2 mm, A = 840 W, F = 100 Hz).图１１匙孔壁内壁多个反射时的激光束能量的演化，显示激光的反射在匙孔内壁的发射，参数为AP = 2.1 kW, v = 4 m/min, f = −2 mm, A = 840 W, F = 100 Hz．

▲图１２. 在匙孔简化形状的条件下反射20次在匙孔底部吸收的能量密度，参数为AP = 2.1 kW, v = 4 m/min, f = −2 mm, A = 840 W, F = 100 Hz

▲图１３. 匙孔壁的力平衡的示意图

主要结论

在这里，调制参数对激光焊接AZ31高反材料时的能量耦合效应进行了研究，其背后的机理通过高速摄影和分析模型进行了研究，只要结论如下：

(1)调制参数对提高激光焊接镁合金的能量耦合效应非常重要，其调制模式是正弦形态的能量分布。当调制频率为100Hz，调制幅度为1.15 kW，激光功率为 2100 W，焊接速度为4 m/min，离焦距为-2mm的时候，能量耦合效应提高幅度最大,焊接深度提高了1.56倍。

(2)通过功率调制提高能量耦合效应的经验模型并获得调制的焊接参数。焊接参数，即调制频率，离焦量，调制幅度，平均功率和焊接速度均进行了研究，依据的是能量耦合效应在通过调制的时候对提高的影响程度。调制频率对提高耦合效应的提高程度为30%。

(3)经过瞬时的功率到降低，具有大的深度的匙孔可以维持和甚至增加，这是提高激光焊接高反材料通过调制提高耦合效应的关键。当调制频率从10H在增加到300Hz的时候，搭接率首先增加,然后降低，其最大值为35%，频率为100Hz。

(4)在匙孔底部吸收的能量用来进一步的增加匙孔的深度从 D0 到 D0 + Δd，需要的能量比维持匙孔深度为 D0 + Δ要高。主要原因是加匙孔具有大的深度的时候可以连续的维持，在调制功率进行焊接时，瞬时功率开始增加的时候。

(5)当瞬时功率自峰值功率降低时，反冲气压仍然比由于表面张力和静压力造成的总和还要高，这是匙孔可以维持几个微秒的原因，由此导致裂隙滞后效应(lag effect)。

▲图14：The observation positions of cross sections of laser welded AZ31 joints. 激光焊接AZ３１焊接接头所观察到的横截面的位置

▲图15. 镁合金在运输领域中的应用案例

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