德国科学家采用定制的光束整形技术来提高热传导焊接Al-Cu合金的工艺参数范围和熔池的形成；光束整形后的峰值强度对工艺参数的范围影响很小，小于实际的强度分布的影响；整形后即使是对抛光后的Al-Cu合金进行热传导焊接也能实现高度稳定的熔池。

成果简介：

热传导焊接经常用在对焊缝表面质量要求比较高的场合以及需要精确保留化学成分的场合。来自德国的科学家研究了激光强度分布在激光焊接时，功率高至3.2KW的条件下对焊接的影响。工艺参数对热传导焊接模型，熔池的形状，工艺的稳定性和动力学等，以及得到的产品的表面粗糙度均进行了分析。于是，采用衍射光学元件来获得三个不同的激光能量密度，工艺过程的动力学采用高速相机进行监控。在采用显微组织和性能分析之前，表面粗糙度采用激光扫描显微镜进行了分析。采用光束整形之后，研究人员发现峰值能量并不是获得稳定的熔池所必须的环节，能量分布的特征才是获得稳定熔池的关键。采用光束整形之后，同同一光斑尺寸的离焦的多模的工艺相比较，会导致工艺更加稳定，扩大热传导的工艺参数区间。应用光束整形之后，得到的产品的表面粗糙度接近激光抛光后的表面，同时可以扩大焊缝界面的面积。

成果的Graphical abstract

背景介绍

高强度的铝合金通常用于航空航天和汽车工业中。由于两个部分相连接的材料性质不同，并且经常不采用力或变形进行连接，而采用了焊接进行连接的时候，往往存在一定的挑战。尤其是EN AW-2XXX系列的铝合金在焊接的时候面临着由于巨大的凝固间隔而造成的热裂纹问题，使得EN AW-2024铝合金成为由于巨大的凝固间隔而造成的最易产生热裂纹敏感性的铝合金，

一个可能解决这一问题的办法是采用半熔化技术，如搅拌摩擦焊（ friction stir welding (FSW)）。FSW技术是一种先进的焊接铝合金和镁合金的技术，因为该技术在焊接的时候，其工作温度低于熔点。在1999年，无裂纹的焊缝就已经成功的获得。然而，这些焊缝往往必须是长直焊缝，而且在焊接后表面粗糙度比较高，因此，造成其腐蚀性会比较差。另外一个缺点就是装夹的限制。最近的研究主要聚焦在通过经过激光抛光来提高焊缝的表面粗糙度上。Kalita的研究表明，采用功率为700W到800W的半导体激光，在扫描速度为1.66mm/s的条件下进行重熔，可以提高EN AW-2024 进行FSW焊接后的焊接接头的抗点蚀能力而不会产生任何裂纹。

图1. 定制的焊接光学系统

为了避免在采用熔化焊接的技术进行焊接时所产生的热裂纹问题就变得更加具有挑战性。当材料在熔化的时候，再结晶就会发生。枝晶形貌的晶粒生长必须避免，这是因为枝晶形貌的晶粒非常容易产生热裂纹和容易促进裂纹生长。在电子束进行焊接的时候，在两种情形下，热传导焊接和深熔焊接，均存在等轴晶粒，这是因为低的温度梯度，但凝固速率比较高且具有较低的热裂纹生成倾向。相似的，添加晶粒细化剂如TiB2，会导致细小的等轴晶结构，而不会产生任何裂纹。不添加添加剂而成功的实现焊接，在较低的焊接速度为40mm/s，较高的激光功率2.75KW，聚焦的光斑直径为0.45mm到0.60mm的条件下。焊缝主要由等轴枝晶所组成。这样看来，高的熔化动力学会发生在匙孔区域和一个相对低的温度梯度的区域，这是因为低的扫描速度会导致强的成分过冷和择优晶粒生长的形成。高的扫描速度，高达120mm/s的时候，可以达到使用额外的热源来减少热应力低焊缝的不利影响，这是因为此时的温度梯度比较小。在这时，晶粒结构主要是完全的枝晶。匙孔焊接的缺点在于表面粗糙度比较大，以及由于一定合金元素的选择性的蒸发造成的化学成分的变化和气孔的形成等。

图2. (a) 激光束集散; (b) 在聚焦平面上的光束轮廓; (c) 离焦时的光束轮廓; (d) 在焦平面的横截面; (e) 通过离焦后得到的横截面（w 450m）

热传导模式的焊接（Heat conduction mode welding (HCMW)）被认为是一种最为稳定的激光焊接工艺，但只有很少的一部分研究是通过这一工艺来实施的，并且在大多数的情况下被提及的也很少。Quintino 和 Assuno发表的关于不同铝合金的综合的综述曾经非常明确的指出了上述提到的优点。Sánchez-Amaya 等人则是作者所知道的仅有的采用HCMW对2xxx铝合金进行研究的人员，其中一种合金就是EN AW-2024铝合金。他们发现在采用至少2KW和最大的焊接速度为16mm/s 的条件是实现稳定的熔池和无裂纹焊缝所必须的。合金的成分被证明对焊接性和裂纹的敏感性非常重要。

图3. (a-c) 计算得到的光束轮廓; (d-f) 测量得到的光束轮廓; (g-i) 在测量的轮廓的横向方向中的积分强度; (j-l) 测量的轮廓的横截面，每一排均进行了归一化值到最大值以充分的显示不同轮廓时的相对强度，白色的箭头显示的是焊接方向。

在1999年，Zhao等人预测了控制熔池的形状将会是一个非常重要的影响合金元素蒸发和热裂纹敏感性的非常重要的一个手段。第一个实验在针对AA 6016铝合金进行实施的时候，使用了双激光束系统进行，分别配备的是CO2激光作为基本的光源，脉冲Nd：YAG激光，脉冲能量为3J，重复工作频率为150HZ，脉冲宽度为 2ms，作为第二光源，可以有效的实现阻碍裂纹形成的效果。研究发现，ND：YAG激光的脉冲特性和由此造成的热温度梯度显著降低促进了柱状晶向等轴晶的过渡，由此形成了等轴-球形晶粒。Hansen等人的研究结果则显示多光斑匙孔工艺焊接EN DC01和EN 1.4301并且采用衍射光学元件对光斑进行调制获得一个几乎为矩形的横截面光束轮廓，从而实现了矩形的横截面焊缝。Sundqvist等人的研究聚焦在数值模拟和分析优化激光点焊，且点焊时的激光束进行了整形。Funck等人则实施了采用环形轮廓的激光束的点焊实验，显示外部的光束枝晶会影响到熔池的对流。

图4. (a) HCMW，采用环形轮廓的光斑进行焊接得到的高稳定熔池，工艺参数为：Pw=2.7kW, v=25mm/s，椭圆形的虚线显示的是熔池的尺寸且部分被氧化物层所隐藏; (b) 早期的TMW，熔池的第一个湍流，此时的DEF参数为：Pw=2.6kW, v=400mm/s，(c) 后期的TMW，匙孔开始形成，但坍塌随即产生，此时的DEF为Pw=2.6kW, v=200mm/s. (d) 稳定的匙孔形成，LINE为 Pw=2.0kW, v=100mm/s

由于匙孔焊接会经受表面质量差的缺点，使得这一工艺在对焊缝表面质量要求高的时候不太实用。相反，HCMW焊接技术却可以产生高质量的焊缝表面，但焊接速度却比较慢。因此，当前的工作目标是理清不同形状的光斑在较高的焊接速度下的工艺参数窗口。此外，光束形状对熔池动力学和熔池形状以及获得的焊缝表面质量的影响进行研究。通过实验观察同模拟得到的温度和蒸发等方面的预测结果将进一步的厘清和提高对光束形状变化的深入理解。

▲图5. 在球形轮廓的光束下，在速度场相互作用区域的前部界面的横截面，正如你所看到的，只有非常低的速度的时候才会出现在熔池。显著高的扫描速度，在熔池表面显示出来，但仍然会限制蒸发的发。工艺参数为：Pw=2.69kW, v=50mm/s

采用的策略

实验采用Disk激光器，最大输出功率为8KW（型号为TruDisk 8001, Trumpf, λ=1030nm, 150m fibre, NA=0.067），定制的光束系统为100mm的聚焦镜，如图1所示。当工艺进行时伴随广泛的热积累，光纤插头采用水进行冷却，而光学镜片以及衍射光学元件进行气冷。对于光学衍射元件，非常重要的是要知道在光学衍射的位置的激光束的直径和能量分布。为了减少光学衍射元件在光学路径中的轴向调准，采用了一个准直的激光束。使用小刀边缘和高斯误差函数的办法，拆卸式聚焦透镜的光束直径确定为距离为100mm到300mm，从低的光学镜片边缘来证实其准直性，见图1所示。

▲图6. 在加工参数为v=50mm/s的条件下在不同的光束模式下得到的横截面组织：a) 环形光束， Pw=0.67kW b) 点光斑 Pw=0.66kW c)衍射光学光斑 Pw=0.86kW d) 线光斑 Pw=0.68kW

▲图7. 在不同参数条件下得到的没有进行抛光时的焊缝的俯视图：a) 环形光斑 Pw=1.35kW, v=25mm/s和一个非常明显的晶粒结构；b) 点光斑 Pw=1.31kW, v=50mm/s 和演化无留存在上面；c) 线光斑 Pw=1.35kW, v=50mm/s。d) 衍射光斑 Pw=1.71kW, v=100mm/s

主要结论

采用光学衍射元件进行光束整形，使得其改变熔池的尺寸，形状以及熔池动力学成为可能。因此，HEMW的工艺窗口可以显著的通过整形后能量密度分布的不同而得到增加，并且会显著的得到比激光抛光效果还要好的焊缝表面。在目前的研究工作中，环形轮廓的激光光斑具有最大的工艺窗口，或得到最好的表面焊缝质量。同采用高斯分布的激光光斑相比较，此时的能量分布峰值并不会导致一个不稳定的熔池，但其能量分布本身却产生较大的差别，尤其是在线性光斑和点光斑的时候。熔池的尺寸，即熔池深度和熔池长度，会受到影响，此时熔池前端直接模仿BP，而在再凝固的前端则不会。数值模拟预测到激光功率的耦合效应可以通过光束整形得到提高，这一点同实验结果相一致，显示在同一加工参数下得到的焊缝的不同的横截面。模拟结果也显示少，尽管熔池体积的均值温度是相当的，表面温度的均值和由此造成的蒸气压在BPs之间是不同的。

因此，当前的工作对采用光束整形进行优化激光焊接的工艺就有非常巨大的潜力。光束整形可以保证由于巨大的可以实现的扫描速度和得到较大的横截面面积，具有较小的工艺动力学的熔池而提高工艺稳定性。为了实现光束轮廓定制的目标以满足个性化的焊接工艺需求，需要进一步的研究来确保光束整形及其它对工艺动力学和焊接质量的要求。

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文章来源：Optics and Lasers in Engineering,Volume 115, April 2019, Pages 179-189,Shaped laser beam profiles for heat conduction welding of aluminium-copper alloys,