激光中的脉冲频率和占空比（电子移动性应用中激光铝焊接的动态激光束成形）
激光中的脉冲频率和占空比（电子移动性应用中激光铝焊接的动态激光束成形）CIVAN开发了一种新技术，在激光材料加工方面具有前所未有的多功能性和灵活性。凭借相干光束组合（CBC）和光学相位阵列（OPA）技术，CIVAN的OPA6激光器能够动态调整光束参数以满足所需应用。与高频光束振荡相关的光纤激光束源已被用于连接金属材料组合，该组合通常不可激光焊接。该高振荡也被证明可用于高熔透焊接其他铝合金，以改善其微观结构，以及焊缝的机械性能。本文报道了在小孔焊接模式下对铝合金薄板进行激光搭接焊接的实验研究。CIVAN的相干光束合成（CBC）和光学相控阵（OPA）技术具有动态成形和高达MHz的快速振荡率，集成在一台激光器中，用于开发这种高要求的激光焊接应用。尽管激光振荡（也称为搅拌焊接）适用于各种金属系统，但它尤其适用于铝合金的激光焊接，因为液态铝的表面张力和粘度明显低于大多数普通金属合金，这导致熔池流动性更大，小孔不稳定。通过对激光小孔的搅拌效应和光束振荡稳定过程并改善焊缝
江苏激光联盟陈长军导读：
高要求的新型激光焊接应用目前应用于电子移动性领域，如电池冷却器和电池盒的薄铝合金搭接接头，但没有完全熔透。在这项工作中，探索了由独特的CIVAN专有相干光束组合（CBC）和光学相控阵（OPA）技术实现的高动态激光轮廓。对3003块厚度为0.8mm的铝合金板在10m/min以上的速度下进行了搭接焊的实验研究，并对主要工艺参数、各种光束形状和高频至MHz的振动模式进行了研究。给出了激光束强度分布、振荡频率对焊缝形状的影响。根据焊缝几何宽度和熔透深度进行工艺优化，避免了界面上的多孔、裂纹和空洞等缺陷。焊缝质量通过横截面宏观图和金相检验进行评估。
1介绍
目前，新型激光焊接应用开发的主要目标是电子移动性和汽车行业。新出现的应用，如电池冷却器和电池盒的焊接，都是基于激光的加工可以比其他制造方法具有优势的例子，因为其灵活性、可扩展性和使用铝合金的新发展来减轻重量。
本文报道了在小孔焊接模式下对铝合金薄板进行激光搭接焊接的实验研究。CIVAN的相干光束合成（CBC）和光学相控阵（OPA）技术具有动态成形和高达MHz的快速振荡率，集成在一台激光器中，用于开发这种高要求的激光焊接应用。
尽管激光振荡（也称为搅拌焊接）适用于各种金属系统，但它尤其适用于铝合金的激光焊接，因为液态铝的表面张力和粘度明显低于大多数普通金属合金，这导致熔池流动性更大，小孔不稳定。
通过对激光小孔的搅拌效应和光束振荡稳定过程并改善焊缝形态的熔池动力学机制已被证明并应用于铝焊接。
与高频光束振荡相关的光纤激光束源已被用于连接金属材料组合，该组合通常不可激光焊接。该高振荡也被证明可用于高熔透焊接其他铝合金，以改善其微观结构，以及焊缝的机械性能。
CIVAN开发了一种新技术，在激光材料加工方面具有前所未有的多功能性和灵活性。凭借相干光束组合（CBC）和光学相位阵列（OPA）技术，CIVAN的OPA6激光器能够动态调整光束参数以满足所需应用。
本文利用OPA6激光器研究了高速光束整形和振荡相结合对AA3003铝合金薄板搭接焊的影响。这表明，进一步提高激光光斑振荡速度和使用定制的光束形状相结合，可以提高加工速度和接缝的整体质量。
2.实验装置
焊接应用测试在CIVAN的应用设施进行。实验激光工作站（图1）由CW OPA6激光器、聚焦光学元件、将光束引导到工件上的HR反射镜和用于功率或光束轮廓测量的监控端口组成。
图1激光焊接工作站。
沿着焊缝的整个长度，在焊缝两侧夹紧一对50x100mm和0.8mm厚的AA3003板。
激光OPA6系统的灵活性允许研究这些不同的辐照度分布。限定这些几何图形的正方形的尺寸XY在0.3-0.5mm范围内。
AA3003部分熔透搭接焊的梁形状测试。
CIVAN laser中OPA technologies的CBC创造的可能辐照度剖面形状的独特特征要求应用开发中有新的参数检测，以捕捉这种光束形状是如何在空间和时间上生成的。
每个形状都可以以一定的频率刷新。对于特定形状，根据该形状的时间重建，可以探索范围广泛的形状频率，通常从1kHz到1MHz。考虑到无穷大形状的例子，并通过两个新工艺参数的定义，图2中描述了这一点。
图2关于形状频率和形状重叠的图示。
3.结果和讨论
本文报告了不同参数窗口调查对锁孔几何形状的影响，以及它们对焊缝质量的影响。
梁形状的影响
焊接试验采用不同的光束形状进行，参数的宽度范围包括激光功率在2.4-3.6kW之间，焊接速度高达18m/min，形状频率1MHz。进行了初步比较，主要考虑渗透深度、界面宽度和界面缺陷的存在，如孔隙或裂纹（图3）。
图3两块铝板界面处焊道中的空隙。
焊接速度的影响
图4表示在11kHz和2.6 kW功率的振荡频率下，使用螺旋形进行的不同焊接试验的上表面焊缝宽度和界面焊缝宽度的测量值。
图4焊接速度对螺旋动态形状焊缝几何形状的影响。
考虑到焊缝宽度和焊缝熔深等几何特征，界面处的焊缝宽度在6m/min到18m/min之间略有差异。在熔深方面，观察到轻微减少（0.15mm），将焊接速度从6m/min增加到12m/min。
在焊缝中可以观察到类似于图4所示的螺旋动态形状的行为(图5)。在这种情况下，18mm/min时的穿透深度比12m/min时高0.2 mm。
图5焊接速度对无限动态形状焊缝几何形状的影响。
CBC激光器的频率与完成整个形状路径的时间有关。
形状频率的影响
以6m/min的速度对螺旋梁形状进行了不同的焊接试验，以确定形状频率对焊缝宽度（顶部板材表面和界面处）和熔深的影响。如图6所示，在1kHz至1MHz的不同频率下，表面的焊缝宽度几乎恒定。在界面处，当频率高于111kHz时，焊缝宽度显著减小。低频（高达11kHz）下的穿透深度更高。
图6形状频率对焊缝宽度（表面、界面）和熔深的影响。
金相分析
通过第一次分析，评估了具有空心几何形状的螺旋形和无限形状减少了重叠结构中焊接缺陷的发生。与加工速度、功率和频率无关，“无限”和“螺旋”在所有测试形状中显示出最佳结果。考虑了质量标准，如缺乏缺陷、穿透深度和界面宽度。以15m/min、18m/min（无限形状）和6m/min（螺旋形状）充分焊接的零件示例如下图所示。在所有情况下，都可以观察到树枝晶的柱状生长。
在不同焊接速度和梁形状下进行的铝焊道宏观图。
在焊道不同区域进行的SEM分析显示，与母材中最初存在的颗粒类似，主要是Al12（Fe，Mn）3 Si成分。
图7焊缝金属不同区域的SEM图像，与基材中的颗粒相似。
图8 来自基材的SEM图像。Al12（Fe，Mn）3Si组分（左），进行EDX分析的区域（右）。
EDX分析是为了对焊道四个不同区域的成分（氧、硅、锰和铁）进行半定量分析。
图9 焊缝不同区域的EDX分析，氧、硅、锰和铁含量。
图9中的条形图显示所选区域的组成没有显著差异。然而，在区域2，在两片板材之间的界面处，通过SEM进行的深入分析显示，一些夹杂物主要是氧化铝（图10）。
图10区域2的SEM图像：焊缝金属内的氧化铝夹杂物。
焊缝金属中的氧化铝夹杂物会对焊缝的机械性能产生不良影响。为了减少/避免焊缝金属中的这些夹杂物，需要优化焊接参数。
4. 结论
我们介绍了一种新型的高精度激光焊接系统在电动汽车市场的吞吐量率。其在高频下精确控制光束形状的能力已被用于具有挑战性的连接应用的工艺鉴定，如部分焊深的铝合金重叠焊接。
本研究的主要结论如下:
-根据焊缝几何形状：焊缝界面宽度和熔深，探索了采用螺旋和无限振荡模式创建的动态梁形状。还进行了初步的金相分析。
-将形状频率增加到10 kHz以上，可提供稳定的小孔焊接，并在接口处提供所需的穿透深度和焊接宽度。
-以超过10kHz的形状频率定制设计的梁形状，使铝搭接接头的焊接速度达到18m/min，缺陷发生率低。
-高频激光束成形在焊接速度方面扩大了工艺窗口参数，以实现焊缝几何宽度和熔深稳定的焊道。
下一步，将研究形状频率、焊接速度和重叠距离的综合效应，以确定更高频率对焊接接头的影响。需要进一步的工作来克服现有的挑战，如：减少氧化铝夹杂物和最小化缺陷，并确保这种高通量焊接工艺的稳健性和稳定性。
来源：11th CIRP Conference on Photonic Technologies [LANE 2020] on September 7-10 2020，www.elsevier.com/locate/procedia
江苏激光联盟陈长军原创作品！
