研究人員使用強大的X射線獲得了ARM激光焊接過程中的高分辨率圖像，深入研究焊接過程，開發(fā)更好的工藝。

Coherent應(yīng)用實驗室的工程師，在X射線的幫助下，對光纖激光焊接過程進行了更加深入的研究。

激光焊接的表面之下發(fā)生了什么？

過去，研究人員曾使用傳統(tǒng)的高速視頻，對光纖激光焊接過程進行了廣泛研究。高速視頻為研究焊接過程中產(chǎn)生的熔融金屬和蒸汽池（稱為“小孔”）的動力學(xué)原理提供了參考。 

通常，相機放置在零件上方，從俯視的角度來記錄焊接表面發(fā)生的情況。但是，小孔內(nèi)發(fā)生的變化比從頂部看到的要多得多。 

怎樣才能真正了解零件內(nèi)部發(fā)生的變化呢？人們過去曾通過X射線視頻來實現(xiàn)此目的。但這些視頻始終無法提供足夠的細節(jié)，因為X射線源不夠強大。 

德國伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)團隊與漢堡Coherent應(yīng)用實驗室之間展開研究合作，他們設(shè)想使用比以往任何時候都更強大的X射線源直接穿過固體金屬，來看清零件內(nèi)部發(fā)生的變化。這允許從側(cè)面觀看焊接過程的高分辨率影像，從而能夠看到焊接過程中小孔的確切形狀和演變。

提高 ARM 光纖激光焊接性能

該團隊使用這種方法研究了Coherent可調(diào)環(huán)模光纖激光器（FL-ARM）的運行。FL-ARM提供了驚人的結(jié)果——高強度鋼的無裂紋焊接、無填充焊絲的鋁焊接以及銅的成功焊接。這主要得益于ARM激光器能夠在焊接過程中精確控制零件的加熱和冷卻；但我們并不完全了解這一切是如何發(fā)生，不了解每個環(huán)節(jié)的細微差別。

該團隊研究了光纖激光器在焊接銅、鋁以及其他比較難焊接的非常薄的熱敏板材的焊接過程。他們通過直觀呈現(xiàn)焊接過程、揭示小孔動力學(xué)原理，并了解不同ARM激光功率分布對銅材料焊接過程中飛濺形成的影響，從而更深入地探討所有這些過程的工作原理。研究的最終目標(biāo)是改善焊接結(jié)果，并開發(fā)更可靠的生產(chǎn)方法。

歐洲同步輻射裝置

全世界只有少數(shù)裝置可以產(chǎn)生足夠強大的X射線，來執(zhí)行該團隊所需要的那種成像工作。其中最有名的強大X射線源之一，是位于法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射裝置極亮源（ESRF-EBS），它專門為健康、清潔能源、材料科學(xué)、藝術(shù)和人類學(xué)等不同領(lǐng)域的研究人員提供服務(wù)，它甚至被用于研究蜂巢和 1.19 億年前的魚類化石。

同步加速器本身是一個周長為844米的管，內(nèi)部真空度非常高。電子在其中環(huán)繞并被加速到接近光速。環(huán)周圍的磁鐵用于使電子快速改變其行進方向，發(fā)生這種情況時，電子會發(fā)出異常高能的X射線。   

這些X射線隨后被向下引導(dǎo)至44條不同“光束線”中的一條或多條。這些光束線位于進行實際研究的實驗室和相關(guān)儀器中。  

不拘一格進行實驗

圖1：Coherent應(yīng)用實驗室的工程師們，在歐洲同步加速器輻射裝置中，使用非常強大的X射線獲得了ARM激光焊接過程中的高分辨率橫截面視圖。

Coherent應(yīng)用實驗室團隊組裝了一個焊接裝置，其中包括8kW HighLight FL-ARM光纖激光器。來自伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)團隊的研究小，組構(gòu)建了一種在焊接過程中自動固定和移動零件的機制，以及聚焦光學(xué)系統(tǒng)和輔助氣體輸送系統(tǒng)。 

所有這些設(shè)備都被帶到ESRF、并放置在其中一條光束線上的“實驗艙”（一個完全包裹在75mm厚的實心鉛屏蔽層內(nèi)的房間）中。研究人員安全地坐在一段距離之外的另一個房間里，在計算機控制下進行焊接，同時將裝置暴露在X射線下。將X射線轉(zhuǎn)換為可見光的攝像頭系統(tǒng)，以每秒50,000幀的速度記錄焊接動作。研究團隊對包括不銹鋼、銅和鋁在內(nèi)的各種金屬，進行了數(shù)百次單獨的焊接測試。 

這一過程提供了哪些信息呢？這要分析14TB的數(shù)據(jù)，要完全回答這個問題需要一些時間。但我們已經(jīng)看到，在銅匯流排焊接測試中，視頻清楚地表明：在適當(dāng)?shù)墓β史植枷拢ㄖ行牧汉铜h(huán)形梁的功率大致相等），小孔表現(xiàn)穩(wěn)定，小孔底部沒有收縮；相反，當(dāng)中心光斑功率過高時，毛細管會在底部收縮，這將導(dǎo)致飛濺和形成氣孔；如果環(huán)功率太高，熔融物會溢出到小孔中，突然蒸發(fā)，并導(dǎo)致材料噴射。

此外，該團隊還研究了保護氣體對毛細管形成的影響，這些發(fā)現(xiàn)提供了對型材焊接的更深入洞察。

對數(shù)據(jù)的進一步分析，將有助于更好地準確了解中心光束和環(huán)形光束之間的功率比，如何影響各種焊接工藝的結(jié)果。這些知識將幫助 Coherent應(yīng)用實驗室開發(fā)更強大和一致的焊接工藝配方，為客戶提供更好、甚至更快的焊接工藝。

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