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浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术
关键词:激光焊接
2020-07-22

,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,需要了解飞溅的产生,从而寻求最大化消除飞溅影响的方法。


1飞溅是如何形成的?

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”。

浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术

由图可见,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)。


2如何控制飞溅?

如何控制飞溅成为激光加工工艺中不容忽视的一个环节。国内外企业很早就开始了低飞溅激光加工工艺的研究,当然,国外略胜一筹。我们通过比较几种主流激光制造商推出的低飞溅技术,来理解和区别一下各自的原理。


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。典型代表企业:相干和ipg。

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。

fl-arm激光焦斑可实现的基本功率模式

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。

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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。

ipg实现低飞溅的技术原理图

ipg实现低飞溅的技术原理图

ipg amb激光焊接飞溅示意图

ipg amb激光焊接飞溅示意图

对于方法一,飞溅是少了,但仍可能存在一个问题:随着金属蒸汽的不断释出,同时会伴有大量等离子体云的产生。金属蒸汽的产生后,若来不及释放,则熔池融凝后在材料表面及芯部留下气孔,产生缺陷。

传统红外激光匙孔焊金相分析图片

传统红外激光匙孔焊金相分析图片(来源:nuburu 公司)

这里,又产生了一个新的名词——等离子体。

等离子是指气体粒子中至少有一部分离子化,从而由中性粒子、阳离子、电子等聚合在一起所组成的气体或蒸气状态。焊接过程中,由于激光辐照金属材料汽化而产生的光致等离子,称为光致等离子体。激光深熔焊过程中,入射光束的能量密度较大,可以使得熔化的金属汽化,并在熔池中形成匙孔。在这一过程中,金属表面和小孔内喷出的金属蒸汽及少量保护气体中的起始自由电子通过吸收光子能量而被加速,直至有足够的能量来碰撞蒸汽离子使其电离,此时电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体。激光功率密度较大时,与金属蒸汽相互作用形成雪崩式增长的致密等离子体。

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上图是有等离子体抑制,下图是无等离子体抑制。惰性气体保护可部分抑制等离子体,但无法完全避免。无等离子体抑制时焊缝变宽,热影响变大,熔池内部金属蒸汽来不及释出,形成气孔缺陷。

有研究表明,激光能量密度较低时,等离子体仅由金属离子蒸汽组成,自由电子动能不足,还不足以使金属蒸汽原子产生雪崩式地电离,此时电子密度较低,停留在小孔的内部或紧贴在熔池表面。这种稳定的稀薄等离子层的存在有助于激光与金属材料的能量耦合。在高功率密度激光深熔焊接条件下,产生的等离子体的电子密度很高,形态为高亮羽团状,它的存在和变化行为对于激光深熔焊接过程有巨大影响。改变激光束的折射、散射和吸收作用,增加不稳定性,同时非常难以控制。

总结一下就是:低功率密度时,等离子体稳定,有助焊接;高功率密度时,等离子体不稳定,难以控制;等离子体温度极高,对材料有破坏作用。


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。

浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术

浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术

浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术

但摆动焊接仅可少量降低焊接飞溅,这是由于摆幅越大虽可更大程度地改善焊缝温度均匀性,但作用于焊缝的能量密度被降低,焊接的速度不得不放慢。但速度降低的同时摆动的横向进给被压缩,越发近似于连续非摆动状况。材料的加热作用时间变久,沸腾和汽化依旧存在,无法完全避免飞溅和金属蒸汽产生。

为什么上述2种方法都不能完全禁止金属汽化呢?

这是因为金属不同温度时激光吸收率有很大变化。很多人都知道金属对不同波长的激光会有不同的吸收率,但其实即使是同种金属在同一波长激光束照射时,吸收率也是会随着温度变化而变化的。

以铜为例,金属在室温22℃(295k)时对传统1um激光波长的吸收率约为5%。


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steen, w.m., mazumder, j. and watkins, k.g. (2003) laser material processing. 3rd edition, springer-verlag, london

上图所示铜随着自身温度上升,对1.06 μm波长激光的反射率下降,即吸收率提高。在熔点附近下降20%左右,有研究表明液态铜的吸收率可以提高到40%左右,而超过沸点汽化后更甚到达60%左右。

那么,吸收率的变化改变了什么?

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以6000 w光纤激光器焊接紫铜的情况为例:

(1) 当材料初始加热时,吸收的光-热效应为 6000 x 5%= 300 w

(2) 当材料超过熔点1083℃后,变成液态,吸收的光-热效应为6000 x (5 20)%=1500 w,一下子提高了5倍。这一部分能量极速加热铜液,使它瞬间升温接近沸点2652℃,并剧烈沸腾。

(3) 当液态熔池超过2652℃后,吸收的光-热效应为6000 x 40%,大量等离子体产生,并产生大量飞溅。

(4) 等离子体持续吸收激光束能量产生超高温度,阻止激光能量作用于焊缝的同时扩大热影响区,并饱和熔深和焊接速度。

因此,低吸收波长高功率激光器,无法完全阻止金属沸腾和汽化,无法根治飞溅。


方法三:使用短波长,提高吸收率,用蓝光减少飞溅

低吸收波长高功率激光器既然无法根治飞溅,那么改成短波长如何呢?nuburu公司便是以该技术为主。

浅谈几种主流的低飞溅激光焊接技术

由上图可以看出,传统金属的激光吸收率随波长的增长有明显下降趋势。铜、金、镍等高反射率有色金属更为明显。

对比两种激光器的应用效果如下:

采用6000 w光纤激光器

(1) 当材料初始加热时,吸收的光-热效应为 6000×5%= 300 w

(2) 液态,吸收的光-热效应:6000×(5 20)%=1500 w 产生过热

(3) 沸腾时,吸收的光-热效应:6000×40%

采用500 w蓝光激光器

(1) 初始吸收率:500×65%=330 w,效果一致

(2) 液态吸收率:500×(65 20)%=425 w

(3) 增加的功率不足以产生沸腾

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可以看到,蓝光激光能够实现红外光无法实现的焊接、无气孔和缺陷。蓝光的优势:可在工件等量吸热情况下,通过增加初始吸收率,减少材料突破熔点后的吸收率变化差值,来降低冲温过热,从材料本身的状态变化原理上达到避免沸腾、带出飞溅的效果。 同时又可使用较低的功率消耗去完成不同金属之间的异种焊接,节省了摆动焊、预镀、填充钎料等等复杂工艺,打开了更大适用范围的工艺窗口。

但是,蓝光激光器是基于gan材质的新型半导体激光器,工业市场刚刚兴起,设备的成熟度及工艺的适用性有待验证。同时由于其半导体ld的光学特性导致其光束质量不如单模光纤激光器,在深熔焊方向上存在明显的劣势。短期内,蓝光激光器仍会保持一个较高的价格。如作为高端特种焊接装备,传统工业的普及程度还远远不足。

3总结

任何一种低飞溅技术都不可能达到百分之百的无飞溅。使用哪种技术,需要结合应用场景、加工材料以及需要达到的效果综合考虑,选择出最符合应用需求的低飞溅激光加工技术。


作者:顾正,上海瀚宇光纤通信技术有限公司




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