德國科學家采用定制的光束整形技術來提高熱傳導焊接Al-Cu合金的工藝參數范圍和熔池的形成；光束整形后的峰值強度對工藝參數的范圍影響很小，小于實際的強度分布的影響；整形后即使是對拋光后的Al-Cu合金進行熱傳導焊接也能實現高度穩定的熔池。
成果簡介：
熱傳導焊接經常用在對焊縫表面質量要求比較高的場合以及需要精確保留化學成分的場合。來自德國的科學家研究了激光強度分布在激光焊接時，功率高至3.2KW的條件下對焊接的影響。工藝參數對熱傳導焊接模型，熔池的形狀，工藝的穩定性和動力學等，以及得到的產品的表面粗糙度均進行了分析。于是，采用衍射光學元件來獲得三個不同的激光能量密度，工藝過程的動力學采用高速相機進行監控。在采用顯微組織和性能分析之前，表面粗糙度采用激光掃描顯微鏡進行了分析。采用光束整形之后，研究人員發現峰值能量并不是獲得穩定的熔池所必須的環節，能量分布的特征才是獲得穩定熔池的關鍵。采用光束整形之后，同同一光斑尺寸的離焦的多模的工藝相比較，會導致工藝更加穩定，擴大熱傳導的工藝參數區間。應用光束整形之后，得到的產品的表面粗糙度接近激光拋光后的表面，同時可以擴大焊縫界面的面積。
成果的Graphical abstract
背景介紹
高強度的鋁合金通常用于航空航天和汽車工業中。由于兩個部分相連接的材料性質不同，并且經常不采用力或變形進行連接，而采用了焊接進行連接的時候，往往存在一定的挑戰。尤其是EN AW-2XXX系列的鋁合金在焊接的時候面臨著由于巨大的凝固間隔而造成的熱裂紋問題，使得EN AW-2024鋁合金成為由于巨大的凝固間隔而造成的最易產生熱裂紋敏感性的鋁合金，
一個可能解決這一問題的辦法是采用半熔化技術，如攪拌摩擦焊（ friction stir welding (FSW)）。FSW技術是一種先進的焊接鋁合金和鎂合金的技術，因為該技術在焊接的時候，其工作溫度低于熔點。在1999年，無裂紋的焊縫就已經成功的獲得。然而，這些焊縫往往必須是長直焊縫，而且在焊接后表面粗糙度比較高，因此，造成其腐蝕性會比較差。另外一個缺點就是裝夾的限制。最近的研究主要聚焦在通過經過激光拋光來提高焊縫的表面粗糙度上。Kalita的研究表明，采用功率為700W到800W的半導體激光，在掃描速度為1.66mm/s的條件下進行重熔，可以提高EN AW-2024 進行FSW焊接后的焊接接頭的抗點蝕能力而不會產生任何裂紋。
圖1. 定制的焊接光學系統
為了避免在采用熔化焊接的技術進行焊接時所產生的熱裂紋問題就變得更加具有挑戰性。當材料在熔化的時候，再結晶就會發生。枝晶形貌的晶粒生長必須避免，這是因為枝晶形貌的晶粒非常容易產生熱裂紋和容易促進裂紋生長。在電子束進行焊接的時候，在兩種情形下，熱傳導焊接和深熔焊接，均存在等軸晶粒，這是因為低的溫度梯度，但凝固速率比較高且具有較低的熱裂紋生成傾向。相似的，添加晶粒細化劑如TiB2，會導致細小的等軸晶結構，而不會產生任何裂紋。不添加添加劑而成功的實現焊接，在較低的焊接速度為40mm/s，較高的激光功率2.75KW，聚焦的光斑直徑為0.45mm到0.60mm的條件下。焊縫主要由等軸枝晶所組成。這樣看來，高的熔化動力學會發生在匙孔區域和一個相對低的溫度梯度的區域，這是因為低的掃描速度會導致強的成分過冷和擇優晶粒生長的形成。高的掃描速度，高達120mm/s的時候，可以達到使用額外的熱源來減少熱應力低焊縫的不利影響，這是因為此時的溫度梯度比較小。在這時，晶粒結構主要是完全的枝晶。匙孔焊接的缺點在于表面粗糙度比較大，以及由于一定合金元素的選擇性的蒸發造成的化學成分的變化和氣孔的形成等。
圖2. (a) 激光束集散; (b) 在聚焦平面上的光束輪廓; (c) 離焦時的光束輪廓; (d) 在焦平面的橫截面; (e) 通過離焦后得到的橫截面（w 450m）
熱傳導模式的焊接（Heat conduction mode welding (HCMW)）被認為是一種最為穩定的激光焊接工藝，但只有很少的一部分研究是通過這一工藝來實施的，并且在大多數的情況下被提及的也很少。Quintino 和 Assuno發表的關于不同鋁合金的綜合的綜述曾經非常明確的指出了上述提到的優點。Sánchez-Amaya 等人則是作者所知道的僅有的采用HCMW對2xxx鋁合金進行研究的人員，其中一種合金就是EN AW-2024鋁合金。他們發現在采用至少2KW和最大的焊接速度為16mm/s 的條件是實現穩定的熔池和無裂紋焊縫所必須的。合金的成分被證明對焊接性和裂紋的敏感性非常重要。
圖3. (a-c) 計算得到的光束輪廓; (d-f) 測量得到的光束輪廓; (g-i) 在測量的輪廓的橫向方向中的積分強度; (j-l) 測量的輪廓的橫截面，每一排均進行了歸一化值到最大值以充分的顯示不同輪廓時的相對強度，白色的箭頭顯示的是焊接方向。
在1999年，Zhao等人預測了控制熔池的形狀將會是一個非常重要的影響合金元素蒸發和熱裂紋敏感性的非常重要的一個手段。第一個實驗在針對AA 6016鋁合金進行實施的時候，使用了雙激光束系統進行，分別配備的是CO2激光作為基本的光源，脈沖Nd：YAG激光，脈沖能量為3J，重復工作頻率為150HZ，脈沖寬度為 2ms，作為第二光源，可以有效的實現阻礙裂紋形成的效果。研究發現，ND：YAG激光的脈沖特性和由此造成的熱溫度梯度顯著降低促進了柱狀晶向等軸晶的過渡，由此形成了等軸-球形晶粒。Hansen等人的研究結果則顯示多光斑匙孔工藝焊接EN DC01和EN 1.4301并且采用衍射光學元件對光斑進行調制獲得一個幾乎為矩形的橫截面光束輪廓，從而實現了矩形的橫截面焊縫。Sundqvist等人的研究聚焦在數值模擬和分析優化激光點焊，且點焊時的激光束進行了整形。Funck等人則實施了采用環形輪廓的激光束的點焊實驗，顯示外部的光束枝晶會影響到熔池的對流。
圖4. (a) HCMW，采用環形輪廓的光斑進行焊接得到的高穩定熔池，工藝參數為：Pw=2.7kW, v=25mm/s，橢圓形的虛線顯示的是熔池的尺寸且部分被氧化物層所隱藏; (b) 早期的TMW，熔池的第一個湍流，此時的DEF參數為：Pw=2.6kW, v=400mm/s，(c) 后期的TMW，匙孔開始形成，但坍塌隨即產生，此時的DEF為Pw=2.6kW, v=200mm/s. (d) 穩定的匙孔形成，LINE為 Pw=2.0kW, v=100mm/s
由于匙孔焊接會經受表面質量差的缺點，使得這一工藝在對焊縫表面質量要求高的時候不太實用。相反，HCMW焊接技術卻可以產生高質量的焊縫表面，但焊接速度卻比較慢。因此，當前的工作目標是理清不同形狀的光斑在較高的焊接速度下的工藝參數窗口。此外，光束形狀對熔池動力學和熔池形狀以及獲得的焊縫表面質量的影響進行研究。通過實驗觀察同模擬得到的溫度和蒸發等方面的預測結果將進一步的厘清和提高對光束形狀變化的深入理解。
▲圖5. 在球形輪廓的光束下，在速度場相互作用區域的前部界面的橫截面，正如你所看到的，只有非常低的速度的時候才會出現在熔池。顯著高的掃描速度，在熔池表面顯示出來，但仍然會限制蒸發的發。工藝參數為：Pw=2.69kW, v=50mm/s
采用的策略
實驗采用Disk激光器，最大輸出功率為8KW（型號為TruDisk 8001, Trumpf, λ=1030nm, 150m fibre, NA=0.067），定制的光束系統為100mm的聚焦鏡，如圖1所示。當工藝進行時伴隨廣泛的熱積累，光纖插頭采用水進行冷卻，而光學鏡片以及衍射光學元件進行氣冷。對于光學衍射元件，非常重要的是要知道在光學衍射的位置的激光束的直徑和能量分布。為了減少光學衍射元件在光學路徑中的軸向調準，采用了一個準直的激光束。使用小刀邊緣和高斯誤差函數的辦法，拆卸式聚焦透鏡的光束直徑確定為距離為100mm到300mm，從低的光學鏡片邊緣來證實其準直性，見圖1所示。
▲圖6. 在加工參數為v=50mm/s的條件下在不同的光束模式下得到的橫截面組織：a) 環形光束， Pw=0.67kW b) 點光斑 Pw=0.66kW c)衍射光學光斑 Pw=0.86kW d) 線光斑 Pw=0.68kW
▲圖7. 在不同參數條件下得到的沒有進行拋光時的焊縫的俯視圖：a) 環形光斑 Pw=1.35kW, v=25mm/s和一個非常明顯的晶粒結構；b) 點光斑 Pw=1.31kW, v=50mm/s 和演化無留存在上面；c) 線光斑 Pw=1.35kW, v=50mm/s。d) 衍射光斑 Pw=1.71kW, v=100mm/s
主要結論
采用光學衍射元件進行光束整形，使得其改變熔池的尺寸，形狀以及熔池動力學成為可能。因此，HEMW的工藝窗口可以顯著的通過整形后能量密度分布的不同而得到增加，并且會顯著的得到比激光拋光效果還要好的焊縫表面。在目前的研究工作中，環形輪廓的激光光斑具有最大的工藝窗口，或得到最好的表面焊縫質量。同采用高斯分布的激光光斑相比較，此時的能量分布峰值并不會導致一個不穩定的熔池，但其能量分布本身卻產生較大的差別，尤其是在線性光斑和點光斑的時候。熔池的尺寸，即熔池深度和熔池長度，會受到影響，此時熔池前端直接模仿BP，而在再凝固的前端則不會。數值模擬預測到激光功率的耦合效應可以通過光束整形得到提高，這一點同實驗結果相一致，顯示在同一加工參數下得到的焊縫的不同的橫截面。模擬結果也顯示少，盡管熔池體積的均值溫度是相當的，表面溫度的均值和由此造成的蒸氣壓在BPs之間是不同的。
因此，當前的工作對采用光束整形進行優化激光焊接的工藝就有非常巨大的潛力。光束整形可以保證由于巨大的可以實現的掃描速度和得到較大的橫截面面積，具有較小的工藝動力學的熔池而提高工藝穩定性。為了實現光束輪廓定制的目標以滿足個性化的焊接工藝需求，需要進一步的研究來確保光束整形及其它對工藝動力學和焊接質量的要求。
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文章來源：Optics and Lasers in Engineering,Volume 115, April 2019, Pages 179-189,Shaped laser beam profiles for heat conduction welding of aluminium-copper alloys,
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