研究人员使用强大的X射线获得了ARM激光焊接过程中的高分辨率图像，深入研究焊接过程，开发更好的工艺。

Coherent应用实验室的工程师，在X射线的帮助下，对光纤激光焊接过程进行了更加深入的研究。

激光焊接的表面之下发生了什么？

过去，研究人员曾使用传统的高速视频，对光纤激光焊接过程进行了广泛研究。高速视频为研究焊接过程中产生的熔融金属和蒸汽池（称为“小孔”）的动力学原理提供了参考。

通常，相机放置在零件上方，从俯视的角度来记录焊接表面发生的情况。但是，小孔内发生的变化比从顶部看到的要多得多。

怎样才能真正了解零件内部发生的变化呢？人们过去曾通过X射线视频来实现此目的。但这些视频始终无法提供足够的细节，因为X射线源不够强大。

德国伊尔默瑙工业大学的生产技术团队与汉堡Coherent应用实验室之间展开研究合作，他们设想使用比以往任何时候都更强大的X射线源直接穿过固体金属，来看清零件内部发生的变化。这允许从侧面观看焊接过程的高分辨率影像，从而能够看到焊接过程中小孔的确切形状和演变。

提高 ARM 光纤激光焊接性能

该团队使用这种方法研究了Coherent可调环模光纤激光器（FL-ARM）的运行。FL-ARM提供了惊人的结果——高强度钢的无裂纹焊接、无填充焊丝的铝焊接以及铜的成功焊接。这主要得益于ARM激光器能够在焊接过程中精确控制零件的加热和冷却；但我们并不完全了解这一切是如何发生，不了解每个环节的细微差别。

该团队研究了光纤激光器在焊接铜、铝以及其他比较难焊接的非常薄的热敏板材的焊接过程。他们通过直观呈现焊接过程、揭示小孔动力学原理，并了解不同ARM激光功率分布对铜材料焊接过程中飞溅形成的影响，从而更深入地探讨所有这些过程的工作原理。研究的最终目标是改善焊接结果，并开发更可靠的生产方法。

欧洲同步辐射装置

全世界只有少数装置可以产生足够强大的X射线，来执行该团队所需要的那种成像工作。其中最有名的强大X射线源之一，是位于法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射装置极亮源（ESRF-EBS），它专门为健康、清洁能源、材料科学、艺术和人类学等不同领域的研究人员提供服务，它甚至被用于研究蜂巢和 1.19 亿年前的鱼类化石。

同步加速器本身是一个周长为844米的管，内部真空度非常高。电子在其中环绕并被加速到接近光速。环周围的磁铁用于使电子快速改变其行进方向，发生这种情况时，电子会发出异常高能的X射线。

这些X射线随后被向下引导至44条不同“光束线”中的一条或多条。这些光束线位于进行实际研究的实验室和相关仪器中。

不拘一格进行实验

图1：Coherent应用实验室的工程师们，在欧洲同步加速器辐射装置中，使用非常强大的X射线获得了ARM激光焊接过程中的高分辨率横截面视图。

Coherent应用实验室团队组装了一个焊接装置，其中包括8kW HighLight FL-ARM光纤激光器。来自伊尔默瑙工业大学生产技术团队的研究小，组构建了一种在焊接过程中自动固定和移动零件的机制，以及聚焦光学系统和辅助气体输送系统。

所有这些设备都被带到ESRF、并放置在其中一条光束线上的“实验舱”（一个完全包裹在75mm厚的实心铅屏蔽层内的房间）中。研究人员安全地坐在一段距离之外的另一个房间里，在计算机控制下进行焊接，同时将装置暴露在X射线下。将X射线转换为可见光的摄像头系统，以每秒50,000帧的速度记录焊接动作。研究团队对包括不锈钢、铜和铝在内的各种金属，进行了数百次单独的焊接测试。

这一过程提供了哪些信息呢？这要分析14TB的数据，要完全回答这个问题需要一些时间。但我们已经看到，在铜汇流排焊接测试中，视频清楚地表明：在适当的功率分布下（中心梁和环形梁的功率大致相等），小孔表现稳定，小孔底部没有收缩；相反，当中心光斑功率过高时，毛细管会在底部收缩，这将导致飞溅和形成气孔；如果环功率太高，熔融物会溢出到小孔中，突然蒸发，并导致材料喷射。

此外，该团队还研究了保护气体对毛细管形成的影响，这些发现提供了对型材焊接的更深入洞察。

对数据的进一步分析，将有助于更好地准确了解中心光束和环形光束之间的功率比，如何影响各种焊接工艺的结果。这些知识将帮助 Coherent应用实验室开发更强大和一致的焊接工艺配方，为客户提供更好、甚至更快的焊接工艺。