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莱因哈特·波普拉维教授 激光技术研究院主席 亚琛工业大学

你好，在本视频中，我们将讨论激光连接

激光连接基本上包括两个过程

激光焊接和激光钎焊

首先，我们将看一下激光焊接、热传导焊接的基本原理

称为“深熔焊接”的毛细管的形成

接着我们会讲热塑料的激光焊接

最后，会提及到一些用激光辐射进行钎焊或焊接的内容

从基本原理来看，它是直观的

我们把激光辐射聚焦到

一个通常纵向垂直于表面的材料

我们吸收部分辐射

然后将其转移到热量中并熔化材料

然后由于熔融区域的凝固

在熔融区域我们得到一个接头,把两方连接在一起

如果我们看我们在图表右侧

所观察到的该过程对强度的依赖性

你可以在草图中看到焊接深度

依赖于激光强度

而且我们首先观察到穿透深度的线性增加

随着激光强度的加强而

达到突然我们的穿透率急剧增加的点

然后在这个逐步改变的过程之后

我们或多或少地再次获得焊接深度的线性增加

但现在其斜率更高

而且如果我们更仔细地看这一过程

我们会观察到两个域

在左边我们有一个热传导焊接的阈值

因此，在这一点上，我们只是根据热量的分散来分配熔体

在该步骤的另一侧

我们观察到深度穿透焊接过程

其特征在于毛细管的形成

首先，如果我们看一下热传导焊接，这个是很简单的

在这种情况下，我们从右到左焊接或者

材料从左到右移动，可以这样想象

因此，熔体的形成开始，然后它凝固

并且我们有或多或少的径向对称半球形

热传导几何形状，其确定

熔池和熔融材料的形成

所有这些都可以通过导热性、热传导

以及我们在另一个视频中讨论的相应方程式来轻松描述

现在，如果我们增加超过该临界阈值的强度，就会有蒸发

这种蒸发会导致一种钻入物料的钻头

最终形成一个等离子体通道

这里用此羽流表示，通常只是等离子体羽流蒸发材料

也许我们加工的材料的百分之一或百分之二被蒸发

因此大部分材料以熔融形式停留在毛细管中

与热传导焊接相同

我们会有熔池形成

并且在熔池的背面再次材料移动到该方向

我们得到熔融区的固体化

从而形成焊缝

通过这个小孔，我们得到了相当大的纵横比

我们可以在其深度方面有10倍甚至20倍的焊缝宽度

因此这是一种非常有效的处理方法，对焊缝两侧的影响非常小

因此，我们将能量与工件非常有效地耦合

并且横向热扩散非常小，从而使失真最小化

而与传统焊接工艺中的

传统同性能量输入相比，这实际上是激光焊接的主要优点之一

如果你在那个小孔中看得更仔细一些

有几个相当复杂的模型可以使用

较高的焊接深度与这种毛细管的形成一起产生

并且毛细管可以形成等离子体

其吸收部分激光辐射

在刚开始使用较低强度时，这是有好处的

因为随后激光辐射与小孔中的等离子体的耦合增加

所以，材料的吸收率增加

因此耦合效率几乎变为1

如果等离子体对于激光辐射是透明的

则我们得到多次反射，因此能量

以非常高的效率传输到毛细管的下部

这增加了焊接深度并再次增加了耦合

并因此提高了焊接过程的效率

因此，所有这些都支持激光焊接的各向异性

从而最大限度地减少热量输入，并通过它自身实现工艺效率

如果你分析熔池

在这里你可以看到浅蓝色的毛细管蒸发部分

和深蓝色区域指示的熔池

然后我们有力，其导致

或多或少毛细管的稳定形成

它是一个来自不同力量的平衡

有试图将毛细管从外侧向内侧折叠的力和

向外作用的力并试图将毛细管保持在其形状中

如果我们更仔细地研究在液相和气相的这种平衡

那么我们可以看一下

形成的各个压力和力

因此，压力当然是由于

毛细管中的温度而形成的气体压力

这是一个向外的压力

所以它在等式的浅蓝色部分

为维护毛细管和为其积聚的下一个压力

是消融压力，因为

我们有持续进行着的汽化过程

正如我所说，这并不是很多

可能平均只有1％的材料

因这种汽化效应而被蒸发

然而，所产生的压力可以

使得它们也对毛细管的维持有显着贡献

在熔体这边，我们就当然有液体压力

液体压力基本上是由重力给出

因为熔体被吸引

通常我们有横焊的几何形状从而引力起作用

并在该显示处这种几何形状充当进入画面

因此，这导致了一种试图关闭毛细管的力

这是一个相当小的力，将来也可以忽略

但是为了完整性，这里应该提到

更重要的力和压力是熔融材料的惯性

你在这里看到一个带有表面矢量N，N的标量积，N在这里显示出来

这当然这里最大角度为零

我们有最大限度的压力

其改变方形焊接的速度

像所有的动能压力一样

而就我们绕过那个小孔而言

当然在这一限度这一点上

我们没有任何压力

因此这里角度的余弦为零且为90度

我们没有惯性压力

在另一方面，在背面再次增加

最后也是最重要的压力是弯曲压力

在这个板，它基本上由材料的表面张力

和毛细管的半径给出

毛细管的半径就在这里

Σ是液体的表面张力

在汽化材料的边界处

而且你可以看到这个曲面的弯曲压力

与半径成反比

所以半径越小曲率压力越高

这可以通过以下事实来解释

高曲率形成这种链的原子

由于液体中的原子力而产生吸引力

并且如果你看两条这样的力线

它们会形成一个净力进入弯曲中心方向

这是弯曲压力

这就是它随着半径的减小而增加的原因

所以，作为概括，我们在简化版本中

得到液体的平衡方程和物质的汽化聚合状态

因此这是一个非常简单的方程式

我们可以用它来工作，我们可以用它

来描述毛细管中的压力平衡

如果再看一下整体情况

你就会记得我们在毛细管中形成了气相

我们这里有等离子体压力，且

一些材料从蒸发区中排出

因此，这扩展到环境中并且取决于激光的强度

该等离子体根据反向致韧辐射吸收

我们在另一个关于吸收反射

和透射的视频中有这个，并且这种吸收机制可以导致一种吸收

其通过中断激光与处理区域的相互作用

而阻止焊接过程的继续

这可以在左边的图片中看到

如果等离子体足够薄则我们有足够的穿透力

我们将随着时间的推移形成该等离子体

那些条纹图像的分离只有50纳秒

所以相当高的时间分辨率，而且

你会看到如果我们将强度增加到过高的值

然后我们在等离子体中得到太多的吸收，并且

该光盘耦合激光束和毛细管之间的相互作用

因此，我们中断

能量耦合到等离子体毛细管

正如你现在在这段视频时不时看到

一个扩大等离子从表面飞起

吸收激光能量

该强度带来等离子体对激光的加速

这是因为能量是从顶部进入等离子体

在这种情况下，该强度只是在极限中选择

可能只是在两种情况之间

所以有时候我们有一个稳定的等离子体，有时

我们就像你在视频中看到的那样取下等离子体羽流

作为示例和展望，我想向你们展示一个应用程序

这是定制坯料的制造

特殊定制坯料，不是使用线性皮带

但正如你可以在左边的图片中看到

弯曲成型的焊接定制坯料

这是由较厚的较高强度材料

和最差强度的薄材料组合而成，以获得更好的可成形性

同样的想法是将定制坯料

焊接成二维平面几何形状而不是

整体的三维形式白色的物体

因为这在二维方面更容易做到

因此，如果你看一下这种情况，你可以在这个视频中看到

首先，切割弯曲的定制坯料部件1

现在是相同的切割数据，我们切割第二部分

较厚的片材然后使用相同的喷嘴

仅改变距离聚焦和保护气体

我们切换到焊接，然后

最后你再次看到在这张片材上切割两个圆形切口

你之所以在焊接后这样做

是因为我们总是有一些非常小的

但我们确实在焊接过程中有一些变形

如果您想要在该定制毛坯中有真正精确的开口

我们只能在焊接后插入最终切割

因此，对于某些应用而言

我们可以切割和焊接这些集成喷嘴是有意义的，其要通过切换一些阀门

和一些激光参数，这样我们就可以在

一次处理中直接在切割和焊接之间切换

在右侧，你可以看到右侧焊缝的结果

是较厚的高强度材料，较薄的低强度材料

以及由于定制焊缝而导致的横截面厚度的连续变化

第二个例子是热塑料焊接

在这种情况下，我们通常连接透明材料

有时它只对激光透明

并且人眼可吸收其光度

因此，我们的想法是使用由下部连接工件吸收的激光

因此，在这种情况下，在大约1微米890的激光器处

你可以使用二极管激光器或YAG激光器

因此，我们在激光的可见端具有非常高的吸收率

然而，在顶层我们使用对激光透明的材料

在这种情况下，过渡在大约700纳米处

因此所有可见光也被吸收

所以，在这里是指这两种合作材料对于肉眼都是黑色的

在这两种情况下所有都被吸收

然而，对于激光，顶部材料是透明的，如你所见

其优点是我们可以在

两种材料之间的连接处准确地获得所有激光能量

我们不需要

通过焊接所有上述合作部件来制作小孔并将能量传递到交接处

我们可以在两种材料的接口处准确地将能量沉积下来

在极限处，如果你考虑最终加入

最终的联接是只有一层原子熔化在顶部的合作材料

并在较低的合作材料以及我们不会得到一层原子

但我们会得到焊接厚度小于1微米

因此超精密，超高效和极低能耗的连接工艺

这意味着我们可以加入

这种重叠几何形状的聚合物，极速可达

每分钟几十米，激光只需几瓦功率

因此，对于聚合物连接，这是一种方法

因此我们需要定制或

通过相应地调整合作材料的透明度和吸收度来改进工艺

最后，我们现在看一下激光钎焊或焊接

钎焊的主要特征是基材永远不会熔化

相反在焊接中基体材料总是熔融的

因此，在焊接时，我们熔化了两个合作材料

在钎焊时，他们保持未熔化状态

你可以在右侧示例中看到

顶部凸缘接缝

在这种情况下，在汽车的后挡板上

你可以看到这里的经典微图金属板

车身是白色金属板

这就是焊料的横截面

当然，这是一种较低熔点的材料

它已经全部熔融再凝固，以冶金方式连接到金属板上

因此，我们通过使用这个过程获得非常稳定的连接

然而，你可以想象我们必须注意熔体

真正进入我们想要的地方

这可能取决于在钎焊过程中有点要求的几何形状

最后，如果我们看看这些过程的应用

这是对几个应用程序的调查

而且在这里你会认得一些欧洲汽车制造商

他们都应用激光焊接或钎焊或焊接

在沃尔沃中车身有很多焊接的白色

在S级的实际装配系统中有激光氢化物焊接

宝马的铝合金门由定制的胚料

和大量铝质焊接配上钕YAG激光器制造而成

完工的焊缝大概50米都在这些门

因此，与此同时在这行业里有了很多连接运用

让我得出了这个结论

我们可以把焊接分成两个区域

基本上应用二极管激光器的热传导焊接

以及深熔焊接，其用于高速高效

低失真应用，这些应用取决于材料和参数

好，在聚合物加入，正如你在右边这个例子中看到的

这个例子正是我之前更详细地展示的内容

这种膜对于眼睛来说是黑色的

但它对于八百九十纳米的二极管激光器是透明的

并且外壳本身吸收激光辐射以及可见辐射

因此，我们直接在该膜的表面与主体进行连接

因此，在本节中，你已经看到了一些基本原理

和几个连接的应用程序

你可以根据自己的想象继续

使用不同的材料进行开发

因此，目前我们正致力于使用超快激光器来连接玻璃

将辐射聚焦到玻璃或者

像热塑焊接应用中的位置

只需连接到两个重叠的玻璃配对物的界面

并通过以下方式进行吸收：多光子过程

或其他线性和非线性特别是非线性吸收机制

所以，我们再次将能量准确地沉积在界面处

并加热材料直至其熔化并提供接头

因此，你也可能会想到完全不同的材料

如生物材料，纤维蛋白原，并且可能会有

很多新材料在未来将会被激光连接起来