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激光小孔钎焊——通过深的穿透效应并结合二维光束振荡来实现能量效率的最高效率利用

时间:2022-4-9

据悉,激光束钎焊是生产高视觉质量焊缝的一种方法。传统的方法是利用激光束在钎料表面的简单菲涅耳吸收熔化钎料。传统铜基和铝基钎焊材料反射激光束的比例很高,导致工艺效率降低,因为只有很低比例的激光束被吸收并对工艺有贡献。

从激光束焊接可知,通过使用所谓的深熔透效应,可以提高焊接过程的吸收,从而提高效率。为此,使用小光束直径,从而产生高强度。如果超过材料依赖阈值,材料会发生局部汽化,从而形成蒸汽毛细管(称为小孔),激光束在其中被多次吸收和反射。这增加了吸收,从而提高了工艺效率。由于蒸汽毛细管的形成,与工件表面简单吸收的工艺相比,小孔工艺将能量引入材料的深度要深得多。由此产生的熔池深度明显大于宽度,似乎不适合熔化具有圆形横截面形状的钎焊材料。

因此,将深穿透效应简单地转移到激光束钎焊将导致钎焊材料的熔化不足或基板材料中的熔化区域(见图1,左图)。相反,能量必须分布在钎焊材料的整个宽度上。这可以通过使用扫描光学装置横向振动激光束到钎焊方向来实现,例如,用于增加间隙桥接能力或纽孔焊接。这会拓宽熔池,提高激光束的局部移动速度,或者说缩短局部停留时间。与在恒定激光功率和钎焊速度下无振荡的工艺相比,后者降低了熔池深度。

激光小孔钎焊——通过深的穿透效应并结合二维光束振荡来实现能量效率的最高效率利用
图1 焊珠-板焊缝的显微切片,具有小孔结构,无振荡(左),并具有横向于钎焊方向的激光束的叠加线性振荡

钎焊的另一个重要方面是润湿过程。预热基底有利于润湿。在传统工艺中,这是通过激光光斑直接照射衬底来实现的,激光光斑的直径被选择为明显大于线材直径。这在具有深穿透效应的钎焊中是不可能的,因为聚焦激光束的高强度会使基体材料熔化。因此,预热必须通过熔融钎焊材料的热传导来实现。

通过将小孔钎焊工艺与电子束振荡相结合,成功实现了钎焊材料完全熔化,同时基材不熔化的焊珠-板钎焊试验将钎焊材料应用于平坦基材上(见图1,右图)。为此,使用AlSi12硬钎焊材料和镀锌钢作为基材。温度测量表明,在1400°C以上时,熔池中的温度远高于焊料的熔化温度(580°C)。使用了一维线性振荡和二维圆形振荡策略。

激光小孔钎焊——通过深的穿透效应并结合二维光束振荡来实现能量效率的最高效率利用
5kW激光的表面轮廓和流型

振荡策略影响振荡的几何扩展和激光束路径的有效轨迹长度。这会影响激光束的移动路径和移动速度,从而影响激光束与材料之间的局部相互作用时间,以及熔池和界面处的温度分布。后者对于基板中不必要的熔化和润湿过程都很重要。因此,了解振荡参数对温度场的影响对于控制过程至关重要。如果要测量界面上的温度分布,也只能在有限的范围内。

可以测量熔池表面的温度分布,以指示熔池内部和界面处的温度分布。因此假设表面上更均匀的温度分布与界面上更均匀的温度分布相关。为了确定熔池表面的温度分布,基于表面发射红外辐射测量的非接触测量系统尤其适用,因为它们不会影响过程,并且允许高测量速率。为了能够完全考虑熔池表面,将高温计横向放置于钎焊方向。高温计的位置是固定的,而钎焊光学元件在钎焊方向上以钎焊速度移动。因此,可以记录熔池横截面上的局部温度-时间曲线(见图2)。利用这些测量结果,评估了温度场及其时间过程的均匀性,并对不同的光束策略进行了比较。

激光小孔钎焊——通过深的穿透效应并结合二维光束振荡来实现能量效率的最高效率利用
图2 当通过不同震荡策略的过程时,使用线高温计测量熔池宽度的温度-时间示例

结果表明,与无振荡的试验相比,光束振荡使熔池变宽,阻止了基体材料的熔化。循环振荡策略导致温度场进一步均匀化。尤其是在使用钎焊和基材材料组合的工艺时,熔化温度只有轻微差异,这是因为界面上均匀的温度分布对成功钎焊至关重要。

激光小孔钎焊——通过深的穿透效应并结合二维光束振荡来实现能量效率的最高效率利用
基板上焊珠激光束钎焊(a)和重叠激光束焊接(b)的配置

来源:Energy-efficient brazing using the deep penetration effect in combination with two-dimensional beam oscillation,Photonics Views, DOI:10.1002/phvs.202100013
参考文献:J. Lee et al.: Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding. Journal of Physics D: Applied Physics 35 (2002)1570.

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