據(jù)悉，德國BIAS-Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH的科研人員報道了使用藍光和紅外光線波長對純鎳進行激光深熔焊接的工藝比較研究。相關(guān)研究以“Process comparison of laser deep penetration welding in pure nickel using blue and infrared wavelengths”為題發(fā)表在《Welding in the World》上。

與紅外激光輻射相比，波長在可見藍色光譜范圍內(nèi)的菲涅爾吸收率顯著提高，因此適用于銅和鎳等材料的熱傳導(dǎo)模式焊接。最近，波長為445 nm的藍色激光源已經(jīng)出現(xiàn)，其功率和光束參數(shù)足以超過激光深熔焊接的強度閾值。與熱傳導(dǎo)模式焊接相比，在激光束深熔焊接中，由于鎖孔內(nèi)的多次反射，總吸收量顯著增加。然而，由于鎖孔內(nèi)每次反射的吸收能量與波長有關(guān)，因此可以假設(shè)激光波長的選擇會導(dǎo)致鎖孔內(nèi)局部能量分布的變化，從而改變鎖孔的動態(tài)。為了研究這個問題，科研人員使用紅外激光源和光束特性相當?shù)乃{色激光源對2.4068 純鎳進行了激光束深熔焊接實驗。實驗通過多傳感器裝置和金相分析進行監(jiān)測和比較。使用藍色激光束可降低濺射量、增加孔隙率并顯著改變聲發(fā)射，從而證明了對純鎳的假設(shè)。

圖 1:所用激光束焦平面上測量到的焦散以及一維和二維強度曲線。

圖 2:試樣的尺寸和設(shè)計（每次焊接后都要更換試樣，以便在下一次焊接前讓試樣溫度降至室溫）

圖 3:左：實驗示意圖；右：實驗裝置圖片

圖 4:左：用于飛濺檢測的高速視頻原始幀；中心：確定的興趣區(qū)域；右：檢測到的飛濺

圖 5:左：用于測量鎖孔面積的高速視頻原始幀；左二：檢測到的鎖孔面積；右二：測量到的鎖孔面積；右：鎖孔面積半徑偏差的定義

研究表明，二氧化碳激光光源和固體激光光源及其不同波長的比較對鎖孔動力學(xué)有明顯的影響，但這不能完全歸因于等離子體吸收導(dǎo)致菲涅爾吸收系數(shù)的變化。為了進一步澄清相關(guān)影響，本研究旨在通過使用不同波長的激光，將等離子體吸收和菲涅爾吸收系數(shù)變化對鎖孔動力學(xué)的影響分離開來。科研人員研究的假設(shè)是，在鎳的激光束深熔焊接中，激光波長從1030 nm變?yōu)?45nm，菲涅爾吸收系數(shù)隨之增加，這將導(dǎo)致鎖孔內(nèi)部的局部能量分布發(fā)生變化，從而改變鎖孔的動態(tài)，包括鎖孔開口的波動、飛濺的形成、聲發(fā)射以及由此產(chǎn)生的孔隙率。為了驗證這一假設(shè)，使用上述兩種波長的激光在鎳板上進行了實驗監(jiān)測和比較。在這項研究中，鎳比銅更合適，因為菲涅爾吸收系數(shù)從紅外波長到藍光波長也會顯著增加，但與只能看到不穩(wěn)定過程的銅激光束焊接相比，科研人員開發(fā)了一種恒定的深熔焊接過程。這使得焊接過程更具可比性。

圖 6:隨激光功率和波長變化的平均焊縫深度（上圖）和平均焊縫寬度（中圖）；特征金相橫截面（下圖）

圖 7:蝕刻金相縱切面，焊接深度明顯增加

圖 8:光譜參考

本研究使用波長為1030nm的紅外激光光束源和波長為445 nm的藍色激光光束源對2.4068 純鎳進行了激光束深熔焊接試驗，這兩種激光光束的光束特性相當。在每種情況下，都使用了兩種不同的激光功率，與使用各自其他波長焊接的樣品相比，焊接深度相同，以研究這樣一種假設(shè)：激光波長的改變會改變鎖孔內(nèi)部的局部能量分布以及鎖孔動態(tài)，包括鎖孔開口的波動、飛濺的形成、聲發(fā)射以及由此產(chǎn)生的孔隙率。通過金相分析和多傳感器設(shè)置（包括飛濺跟蹤、鎖孔面積跟蹤和機載聲發(fā)射測量）對實驗進行了監(jiān)測和比較，結(jié)果證實了這一假設(shè)。

1.將激光波長從1030 nm 改為 445 nm 會改變純鎳的激光束深熔焊接鎖孔動態(tài)。

2.在焊接純鎳時，當激光束波長從紅外波長變?yōu)樗{色波長時，菲涅爾吸收系數(shù)對焊接熔深的影響隨著縱橫比的增大而減小。

3.與藍色激光束波長相比，使用菲涅爾吸收系數(shù)較低的紅外線激光束波長可降低鎳焊縫的孔隙率。

4.對于鎳的激光束深熔焊接，與使用紅外激光束波長的焊接工藝相比，使用菲涅爾吸收系數(shù)更高的藍色波長可減少飛濺量并提高工藝穩(wěn)定性。

5.通過機載聲波分析，可以檢測到使用藍色波長和使用紅外線波長焊接鎳時的明顯差異。

論文鏈接：

M?bus, M., Pordzik, R., Kr?mer, A. et al. Process comparison of laser deep penetration welding in pure nickel using blue and infrared wavelengths. Weld World 68, 1473–1484 (2024). https://doi.org/10.1007/s40194-024-01713-9