據(jù)悉，德國BIAS-Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH的科研人員報(bào)道了使用藍(lán)光和紅外光線波長對(duì)純鎳進(jìn)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(lán)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(lán)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(qiáng)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(huì)導(dǎo)致鎖孔內(nèi)局部能量分布的變化，從而改變鎖孔的動(dòng)態(tài)。為了研究這個(gè)問題，科研人員使用紅外激光源和光束特性相當(dāng)?shù)乃{(lán)色激光源對(duì)2.4068 純鎳進(jìn)行了激光束深熔焊接實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過多傳感器裝置和金相分析進(jìn)行監(jiān)測和比較。使用藍(lán)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(duì)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(qiáng)度曲線。

圖 2:試樣的尺寸和設(shè)計(jì)（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(shí)驗(yàn)示意圖；右：實(shí)驗(yàn)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(duì)鎖孔動(dòng)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(jìn)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(duì)鎖孔動(dòng)力學(xué)的影響分離開來?？蒲腥藛T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(dòng)態(tài)，包括鎖孔開口的波動(dòng)、飛濺的形成、聲發(fā)射以及由此產(chǎn)生的孔隙率。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，使用上述兩種波長的激光在鎳板上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)監(jiān)測和比較。在這項(xiàng)研究中，鎳比銅更合適，因?yàn)榉颇鶢栁障禂?shù)從紅外波長到藍(lán)光波長也會(huì)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(lán)色激光光束源對(duì)2.4068 純鎳進(jìn)行了激光束深熔焊接試驗(yàn)，這兩種激光光束的光束特性相當(dāng)。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(huì)改變鎖孔內(nèi)部的局部能量分布以及鎖孔動(dòng)態(tài)，包括鎖孔開口的波動(dòng)、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(jī)載聲發(fā)射測量）對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了監(jiān)測和比較，結(jié)果證實(shí)了這一假設(shè)。

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

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

3.與藍(lán)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(duì)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(lán)色波長可減少飛濺量并提高工藝穩(wěn)定性。

5.通過機(jī)載聲波分析，可以檢測到使用藍(lán)色波長和使用紅外線波長焊接鎳時(shí)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