激光光束整形和光束摆动

2021-04-08 09:27:53 晶肖

光束整形 Beam Shaping

我们说的激光光束整形(Beam Shaping),常指采用光束整形透镜、镜片、微透镜或者不同形状光纤对光斑实现匀化效果。这里介绍一种新方法:来自TRUMP 的BrightLine焊接技术,采用2合1光纤(图1),它是由内芯光纤(Fiber Core)和外环光纤(Fiber Ring)组成。将两个光束叠加作用到加工区域。


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图1 TRUNP的2合1光纤技术


在激光深熔焊接(Deep Penetration Process)过程中,加工微小位置的金属吸收激光热量熔化并蒸发,在微小孔底部产生高压蒸汽。蒸汽从底部喷射而出导致材料损失,也就是飞溅。整个过程类似家里烧水不断产生气泡的过程。当采用2合1整形光束时,外环光纤在微孔周边创造了一个更大区域的“缓冲区”,允许高压蒸汽逸出。外环光束有助于创建一个更稳定的深熔焊接过程。

同时,外环光束还改变了熔池金属液体的流动方向(图2)。向表面加速流动的金属熔液,在环形光束脉冲影响下,向侧面偏转。因此,在以上两个变化综合影响下,试验证明,内外光纤整 形技术可减少90%的飞溅。


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图2 在内外光束作用下熔池变化


光束摆动 Beam Oscillation

光束摆动轨迹如下图所示。对于一些对碰和搭接焊接过程,由于零件之间有间隙且没有填充材料,而常规的激光焊接是沿着间隙走直线,无法有效焊接。因此,引入光束摆动(Oscillation或Wobble),直线和上下运动叠加产生螺旋线(图3),增加了熔池区域,此时金属液体填充满间隙实现焊接。采用光束摆动还有一个好处,是可以补偿零件尺寸误差,减小气孔,增加焊缝美观和焊接过程的稳定性。


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图3 直线运动和上下摆动叠加轨迹


光束整形和光束摆动同时使用,可以大大提高深熔焊接工艺的稳定性,提高铝合金和高强度钢材的可焊接性,有效避免微裂纹。然而,对于某些材料,仍然存在随机微裂纹。下图4-6是6XXX系铝合金在光束整形、光束摆动,以及光束整形和摆动三种条件下的焊接效果。


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图4 光束整形焊接截面微观效果


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图5 光束摆动焊接截面微观效果


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图6 光束整形和光束摆动焊接截面微观效果


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