不锈钢的可调环模式 (ARM) 激光焊接_激光_激光束

1、论文导读

可调环模式（ARM）激光器作为环形激光器和高斯激光束的组合是稳定激光焊接过程的一项有出息的技能。
研究了不同形状激光模式下激光材料加工的工艺状态和领悟效率，包括激光模式、仅中央激光光斑和环形/中央双光斑，焊接速率的范围为5至100mm/s。
通过高速CCD相机和图像处理方法监丈量化了锁孔入口的工艺特性，包括面积、长度、宽度。
通过光谱仪监测金属蒸气和等离子体的过程强度并进行了等离子体强度和匙孔入口几何形状之间的关系，剖析了成形激光束对焊缝横截面熔合区几何特色的影响。
实验结果表明，不同焊接能量模式下匙孔入口的工艺变革不同，不同形状激光束焊接时等离子体强度与匙孔入口呈正干系，不同激光束的截面领悟效率差异较大。

2、论文概述

环形激光束可以在材料上产生均匀的温度梯度，从而实现环形激光材料的稳定加工以及材料上光滑的固化表面，但穿透深度限定了环形激光束的运用，高斯激光束的高强度使其在深熔焊接中得到了广泛的运用，但由于激光与材料的高相互浸染，高斯激光焊接的表面粗糙是其紧张不敷。
通过将环形激光束和高斯激光束组合在一起，开拓出了一种ARM激光器，用于焊接难以焊接的金属材料，例如镀锌钢或铝合金。
本文研究了ARM激光器在不锈钢焊接中的匙孔入口和等离子体的过程状态以及熔化效率。
通过CCD相机监测匙孔入口的过程特性，通过图像处理方法量化匙孔入口的长度、宽度和面积，并通过光谱仪进一步研究等离子体强度。
剖析了匙孔特性与等离子体强度之间的相互关系。
剖析了整形激光束对焊缝截面熔合效率的影响，如有效熔深、熔合区面积和宽度。
带有过程监控系统的ARM激光焊接不锈钢实验装置如图1，配置了输出最大4kw的相关8kw ARM激光器。

图1.用于监测 ARM 激光焊接过程的实验装置

3、图文解析

图2展示了ARM激光器在焦点位置的光束轮廓。
中央激光器的面积比环形激光器的面积小，并且中央激光器的功率强度比环形激光器高，这一结果表明在双环/中央激光模式材料加工过程中，ARM激光器的穿透能力紧张来自中央激光。

图2. 焊接过程中焦点位置处的光束轮廓和模式变革

ARM激光焊接工艺成像事理如图3所示，匙孔模式激光焊接过程中在高能量密度激光直接照射下金属发生蒸发，在母材中产生匙孔。

图3. 匙孔入口示意图及其成像事理

图4展示了图像特色提取的方法，提取了匙孔的宽度和长度。

图4. ARM激光焊接匙孔入口特色提取方法

图5展示了不同激光束排列和焊接速率对匙孔和入口的影响。

图5. 不同激光束排列和焊接速率时的原始图像

图6、7、8展示了不同激光束排列和焊接速率时匙孔入口面积、长度、宽度。

图6. 不同激光束排列和焊接速率时匙孔入口面积。

图7.不同激光束排列和焊接速率时匙孔入口的长度。

图8.不同激光束排列和焊接速率时匙孔入口的宽度。

图9、10、11展示了纯3.5kw中央激光焊接、双3.5kw环形/3.5kw中央激光焊接、纯3.5kw中央激光焊接穿透7mm厚的钢材，结果表明纯中央激光焊接产生的匙孔入口面积最大，纯环激光焊接产生的匙孔入口面积最小。
纯环激光焊接的羽流强度与双环/中央激光焊接的羽流强度险些相同，并且纯中央激光焊接的羽流强度由于较小的匙孔入口面积而变弱。

图9 5 mm/s ARM 激光焊接时的羽流强度

图10 50 mm/s ARM 激光焊接时的羽流强度

图11 100 mm/s ARM 激光焊接时的羽流强度

图12展示了不同下焊接速率5-100mm/s的横截面，三种模式均实现了完备焊透，纯环模式在焊接时涌现气孔，纯中央模式和双环/中央模式焊接时涌现凹陷区域。

图12 不同模式下焊接速率5-100mm/s的横截面

4、总结

研究了不同形状的激光模式和可变的行进速率下304L不锈钢的ARM激光焊接。
对锁孔入口面积、长度、宽度等工艺状态进行了实验监测和剖析。
通过光谱仪不雅观察并剖析激光辐射勾引的等离子体强度。
通过光学显微镜丈量所得到的激光焊缝的熔深深度和横截面上的熔合区面积。
实验结果表明：