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减少飞溅的激光焊接技术

                           发表日期:2022-9-20

激光焊接,尤其是大功率焊接过程中,最容易产生飞溅。飞溅所产生的颗粒物也会附着熔池及工件表面,极易造成表面粗糙度变化,划伤母材,污染目镜、隔离片、滤光片及毛玻璃片等光学介质,严重时可导致部件的返工、元器件受损,甚至会造成人身安全及公司财产损失等问题。
汽车行业尤为需要大量使用激光焊接技术对镀锌钢板、铜和铝等特定材料进行加工,消除飞溅的方式是牺牲光纤激光器固有优势,但这会降低加工效率。因此,我们需要了解飞溅的产生,从而寻求最大化减少飞溅影响的方法。

1. 飞溅是如何产生的

什么是飞溅?飞溅就是飞到熔池外的熔化金属,金属材料在升温达到熔融温度后,由固态转变成液态,继续升温将转变成气态。
当激光束不断加热时,固态金属变成液态,形成熔池;接着,熔池内的液态金属再受热“沸腾”;最后,材料再吸热达到汽化,而沸腾使得内部压力改变,带出周边包裹的液态金属,最终产生“飞溅”。
由下图可见,激光持续作用于材料,使材料剧烈汽化膨胀产生压力,形成熔融材料(左图);而后金属蒸汽逸出时产生高压将材料推向匙孔顶部(中图);最后飞溅物被推出匙孔顶部,并附着在表面形成熔化物(右图)。

减少飞溅的激光焊接技术

2. 如何减少飞溅

方法一:改变激光光斑能量分布,避免沸腾,尽可能不用高斯分布的光束

将单一的高斯分布激光束,改为较为复杂的环状+中心光束,可以减少中心材料温度高热汽化,减少金属气体的产生。
相干公司芬兰工厂(前 Corelase公司)利用开发的FL-ARM环形激光合束器和传输光纤,使这种不同寻常的光纤激光聚焦光斑配置得以成为现实。该光纤采用传统的圆形纤芯,外覆另一层环形截面的光纤纤芯。

减少飞溅的激光焊接技术
简化的 ARM 光纤示意图以及聚焦激光光斑中可能出现的五种基本功率模式

以铝材料加工为例,环形光束的前缘将铝的温度提升到足够高,以增加其在激光波长上的吸收能力。随后,光束的中心产生深熔孔,由于经过预热,熔孔非常稳定。环形光束的后缘对熔池提供充分支撑,让气体逸出。由于熔孔稳定,材料不易快速凝固,促使整个工艺更加一致,工艺窗口也更大。最终结果是实现均匀一致的材料渗透和更高质量的无气孔、无飞溅焊缝。

减少飞溅的激光焊接技术
两个1.6 mm 厚的5000 系列铝部件堆焊焊缝横截面显示深熔透,无孔隙或飞溅

而IPG的光学设计是小光斑高能高亮度中心光束和较大环形光束实现的任意组合。IPG YLS-6000/9000-AMB光束模式可调光纤激光器实现低飞溅的技术原理图如下图所示。AMB可产生一个更大更稳定的匙孔,更易使金属蒸汽逸出;环形光束使逸出的蒸汽动能最小化,从而尽可能减少飞溅。

减少飞溅的激光焊接技术
IPG实现低飞溅的技术原理图
减少飞溅的激光焊接技术
IPG AMB激光焊接飞溅示意图

方法二:改变扫描方式,摆动焊接

采用激光头摆动的方式可以提高焊缝的温度均匀性,避免局部温度过高而沸腾。只需要对运动机构的X,Y两轴进行控制即可完成各种轨迹的摆动。

减少飞溅的激光焊接技术
减少飞溅的激光焊接技术
新耐视new wobble焊接头
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新耐视new wobble焊接头可实现的搅拌路径

新耐视new wobble焊接头可有效减焊接过程中的飞溅,拥有极高的工艺稳定性,允许较大的工艺偏差,适用于易开裂和有气孔的焊接材料,可实现更加平整的工件表面。

       
   
 

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