研究人員使用強(qiáng)大的X射線(xiàn)獲得了ARM激光焊接過(guò)程中的高分辨率圖像，深入研究焊接過(guò)程，開(kāi)發(fā)更好的工藝。

Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的工程師，在X射線(xiàn)的幫助下，對(duì)光纖激光焊接過(guò)程進(jìn)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(guò)去，研究人員曾使用傳統(tǒng)的高速視頻，對(duì)光纖激光焊接過(guò)程進(jìn)行了廣泛研究。高速視頻為研究焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熔融金屬和蒸汽池（稱(chēng)為“小孔”）的動(dòng)力學(xué)原理提供了參考。 

通常，相機(jī)放置在零件上方，從俯視的角度來(lái)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(guò)去曾通過(guò)X射線(xiàn)視頻來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。但這些視頻始終無(wú)法提供足夠的細(xì)節(jié)，因?yàn)閄射線(xiàn)源不夠強(qiáng)大。 

德國(guó)伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與漢堡Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室之間展開(kāi)研究合作，他們?cè)O(shè)想使用比以往任何時(shí)候都更強(qiáng)大的X射線(xiàn)源直接穿過(guò)固體金屬，來(lái)看清零件內(nèi)部發(fā)生的變化。這允許從側(cè)面觀(guān)看焊接過(guò)程的高分辨率影像，從而能夠看到焊接過(guò)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(tuán)隊(duì)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(yùn)行。FL-ARM提供了驚人的結(jié)果——高強(qiáng)度鋼的無(wú)裂紋焊接、無(wú)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(guò)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(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)微差別。

該團(tuán)隊(duì)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(guò)程。他們通過(guò)直觀(guān)呈現(xiàn)焊接過(guò)程、揭示小孔動(dòng)力學(xué)原理，并了解不同ARM激光功率分布對(duì)銅材料焊接過(guò)程中飛濺形成的影響，從而更深入地探討所有這些過(guò)程的工作原理。研究的最終目標(biāo)是改善焊接結(jié)果，并開(kāi)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(qiáng)大的X射線(xiàn)，來(lái)執(zhí)行該團(tuán)隊(duì)所需要的那種成像工作。其中最有名的強(qiáng)大X射線(xiàn)源之一，是位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射裝置極亮源（ESRF-EBS），它專(zhuān)門(mén)為健康、清潔能源、材料科學(xué)、藝術(shù)和人類(lèi)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(yú)類(lèi)化石。

同步加速器本身是一個(gè)周長(zhǎng)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?chē)拇盆F用于使電子快速改變其行進(jìn)方向，發(fā)生這種情況時(shí)，電子會(huì)發(fā)出異常高能的X射線(xiàn)。   

這些X射線(xiàn)隨后被向下引導(dǎo)至44條不同“光束線(xiàn)”中的一條或多條。這些光束線(xiàn)位于進(jìn)行實(shí)際研究的實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)儀器中。  

不拘一格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

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

Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)組裝了一個(gè)焊接裝置，其中包括8kW HighLight FL-ARM光纖激光器。來(lái)自伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的研究小，組構(gòu)建了一種在焊接過(guò)程中自動(dòng)固定和移動(dòng)零件的機(jī)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(xiàn)上的“實(shí)驗(yàn)艙”（一個(gè)完全包裹在75mm厚的實(shí)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(gè)房間里，在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行焊接，同時(shí)將裝置暴露在X射線(xiàn)下。將X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的攝像頭系統(tǒng)，以每秒50,000幀的速度記錄焊接動(dòng)作。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)包括不銹鋼、銅和鋁在內(nèi)的各種金屬，進(jìn)行了數(shù)百次單獨(dú)的焊接測(cè)試。 

這一過(guò)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(gè)問(wèn)題需要一些時(shí)間。但我們已經(jīng)看到，在銅匯流排焊接測(cè)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(méi)有收縮；相反，當(dāng)中心光斑功率過(guò)高時(shí)，毛細(xì)管會(huì)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(huì)溢出到小孔中，突然蒸發(fā)，并導(dǎo)致材料噴射。

此外，該團(tuán)隊(duì)還研究了保護(hù)氣體對(duì)毛細(xì)管形成的影響，這些發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)型材焊接的更深入洞察。

對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，將有助于更好地準(zhǔn)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(shí)將幫助 Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大和一致的焊接工藝配方，為客戶(hù)提供更好、甚至更快的焊接工藝。