江苏激光联盟导读：
首次采用正弦线模式的功率调制技术实现了采用激光-电弧复合焊技术来焊接纯铜；调制参数对焊缝的表面形貌和完整性也进行了研究；采用CCD高速摄影技术研究了熔池和匙孔的行为进行了研究；同时揭示了功率调制可以提高焊接工艺稳定性的机制。
成果简介：
采用功率调制的激光-电弧复合焊接技术对4mm厚的T2状态的纯铜进行了焊接以提高焊接过程的稳定性。结果观察到正弦线的激光功率调制在激光-电弧复合焊接的时候可以减少焊接缺陷，如飞溅和气孔，由此实现了焊缝中横向的收缩。采用高速CCD摄影技术对熔池和匙孔进行观察其演化过程，揭示了瞬时最大功率可以提高的其背后的主要原因，这是因为功率调制所造成的，功率调制增加了匙孔的深度和形成穿透匙孔形成的频率。形成的穿透匙孔促进了在匙孔底部的额外能量的逃逸，由此阻止了底部匙孔由于能量过渡集中所造成的不稳定性。这减少了能量在熔池周围的传输，与此同时减少了焊缝的横向收缩。正弦波模式的功率调制幅度和频率对穿透匙孔的形成也进行了分析。
▲ 成果的Graphical abstract
背景
纯铜，是一种具有良好导电性和导热性的材料，广泛的应用在化学工业，汽车，电力和电子装备中。在2014年2月，Kerr在《Science》中关于纯铜的全球消费中提到，纯铜的消费呈现指数级别的增长。现代工业急切地需要高质量和有效地纯铜的焊接技术。纯铜的较高的熔点，高的导热性和巨大的线性膨胀系数等特点造成传统的技术进行焊接的时候焊接性比较差，这是因为大多数的热在焊接过程中被消耗掉，由此增加了铜的熔化困难。纯铜的高的热导率恶化了焊接缺陷，如气孔和飞溅的形成，这是因为凝固时间非常短，在这么短的时间内气泡自熔池中很难逃逸。
当采用传统的焊接技术进行焊接的时候，如气体电弧焊，钎焊，手工电弧焊等来焊接纯铜的时候，较高的焊接前预热温度，巨大的热影响区，粗大的显微组织，下降的性能以及低的焊接效率使得这些焊接技术很难满足现代工业对高质量和有效率的纯铜的焊接。在近年来，研究人员研究了电子束和搅拌摩擦焊和激光焊接来焊接纯铜。在采用电子束技术和搅拌摩擦焊进行焊接的时候，纯铜的焊接接头没有明显的缺陷。然而，电子束焊接技术比较昂贵，而且需要在真空室内进行焊接。这限制了工作环境和应用场合。与此同时，搅拌摩擦焊主要应用于获得长的焊缝，需要在焊接过程中进行背部支撑，并且容易导致针孔形式的焊接缺陷。
激光焊接技术，采用高能量密度的激光作为热源，是一种先进的焊接技术，呈现出高效和精确的焊接特性。然而，纯铜的高反射特性（激光波长大于1μm的时候）其反射率可以达到95%以上。这就导致两个问题的发生：低的焊接效率和低的稳定性。如图1所示，在激光焊接高反材料的时候其总的吸收率低于传统的材料在同一条件下的吸收率。此外，纯铜对于红外激光的高反射特性导致在匙孔深度方向的能量分布的不平衡。这就导致了气孔和下凹的发生。Zhang等人认为在激光焊接纯铜的时候，能量在匙孔底部的积聚，会扩展和碰撞匙孔，从而降低了焊接气孔的稳定性。相似的气孔现象发生在激光-电弧复合焊接铝合金的工作中。
▲图1传统材料和高反材料在激光焊接的时候起能量吸收率的示意图
因此，激光焊接过程中的能量耦合效率和稳定性是激光焊接纯铜部件中的非常重要的一个前提要求。不同的办法用来提高焊接纯铜的耦合效率。例如，Chen等人在纯铜表面溅射含铜的纳米复合材料进行纯铜的激光焊接，结果发现其吸收率提高了5.8倍以上。Oztoprak等人提出了添加Stellite 6粉末到熔池中来提高其耦合效应。Brio等人研究了氧气生成辅助的办法来提高激光焊接纯铜的电导率。然而，这些办法引入了杂质到熔池中，从而降低了纯铜焊接接头的电导率。Reisgen等人通过在真空中实施激光焊接纯铜。其真空的实施限制了激光技术的应用。基于激光焊接技术的先进性，其他的工业上的解决办法，如wobbling，绿色激光和蓝色激光等开始应用到纯铜的激光焊接上。
Schmitt等人采用光纤激光，配备电（检）流计来进行纯铜的激光为焊接，在室温下，纯铜对绿色激光的吸收率在激光波长为532nm的时候为30~40%。这一数值在蓝色激光的时候会更高。Kaise等人观察到在使用3KW的绿色连续激光焊接高质量的铜。他们的结果显示高功率的绿色连续板条激光在焊接铜的时候可以获得高质量的铜的焊接接头。Zediker等人报道了首次完全穿透焊接1mm的铜板，在较大的焊接速度的条件下，获得了稳定的的焊接工艺，激光为600W的蓝色激光。然而，由于蓝色激光和绿色激光成本比较高，这是因为商业化的这类激光功率均比较低，绿色激光比较适合焊接薄板，而不适合焊接厚板。
考虑到铜的吸收率随着温度的升高而升高，尤其是在熔点附近会有一个跳跃，激光-电弧复合焊接技术被引入进来来提高铜的焊接的耦合效果和焊接稳定性。激光-电弧复合焊，是一种实现高质量和高效率焊接的技术，可以确保获得常规的焊缝和在高速度下的有效的焊接深度。它可以减少初始和产品的成本，提高制造效率。Zhang等人应用激光-电弧复合焊来焊接纯铜，结果显示焊接深度和焊接质量并单独采用激光或者弧焊的效果要显著的提高，如图2所示。他们的研究结果揭示了4KW单道光纤激光焊接技术可以完全实现最大厚度为2mm的铜的焊接。而如果使用激光-电弧复合焊接的话，其最大焊接厚度可以达到4mm。而且，在Y形的沟槽结构中，T2状态下的纯铜的厚度为8mm的条件下一次单道焊接。Gao等人实施了一个没有预先处理的纯铜来进行焊接，焊接厚度为2mm，采用的是激光冷金属过渡复合焊接。他们获得了非常好的焊接接头，拉伸强度大约为基材的88%。
▲图2采用不同的焊接工艺进行铜的焊接时得到的焊缝横截面的形貌：（a）激光焊接；（b）MIG弧焊；（c）激光-电弧复合焊（焊接参数为：3kW的激光功率,焊接速度：1.5m/min,焊机电压：32V,送丝速率：11.5m/min，焊接速度为：1.5m/min）
此外，Zhang等人观察到功率调制可以减少焊接AZ31镁合金时的最小平均功率，镁合金板材的厚度为2.7mm，镁合金也是高反射材料，反射率大约为33%。采用功率调制后，在激光焊接高反材料时可以增加功率耦合效果。依据作者的最近的结果（红外激光焊接高反材料时采用功率调制提高能量耦合效应），揭示出功率调制可以在参数优化的条件下提高耦合效率至少1.56倍。这是因为匙孔在大的深度下具有长的寿命。Heider等人观察到诸如飞溅和气孔等缺陷在激光焊接纯铜的的时候可以抑制，纯铜的厚度为2.5mm，功率调制的频率为200Hz，由此提高了焊接工艺的稳定性。
以上提到的观察的结果显示激光焊接过程中的能量耦合效果对高反射材料可以进一步的提高和提高其焊接过程中的稳定性，结合功率调制和复合焊接的话，可以进一步的得到提高。依据这些结果，我们实施激光-电弧复合焊，整合正弦波形式的功率调制来进行T2的纯铜板的焊接，板材厚度为4mm。功率调制对激光-电弧复合焊接过程中的熔池和匙孔中的行为采用高速摄影技术进行了观察研究。得到的结果可以为激光-电弧复合焊接厚的纯铜板提供借鉴和提供激光-电弧复合焊其他类型的高反射材料提供指导。
▲图4在不同的功率调制幅度和平吕下的瞬时激光功率的波形
主要结论
采用激光-电弧复合焊接技术来焊接4mm厚度的铜，功率调制对焊接接头的形貌和缺陷的影响给予了分析。通过高速摄影技术，在焊接过程中熔池的行为和匙孔的行为进行了观察，功率调制对焊接机制的影响也进行了揭示。如下为主要结论：
(1)在优化的调制参数的条件下，采用激光-电弧复合焊进行焊接的时候，激光功率调制可以减少焊接接头底部的焊接焊缝的宽度，减少横向的收缩，抑制焊接缺陷的形成，如气孔，飞溅，塌陷等。
(2)穿透匙孔形成的频率值的增加，是大的瞬时功率和匙孔滞后效应造成的，这是功率调制影响复合焊接工艺的主要原因。
(3)穿透匙孔的形成促进了液态金属的向下流动和提供了一个多余的激光能量从匙孔底部的孔径中移除的出口。这阻止了大的横向收缩和匙孔的不稳定性。
(4)当调制幅度增加的时候，穿透匙孔的形成频率首先增加，然后再降低，最后保持再一个最大值，此时的调制幅度为1200W。
(5)这里存在一个优化的调制频率，它可以不仅能够确保有足够的能量聚集来形成穿透匙孔来避免能量在匙孔的底部聚集。同时还可以确保瞬时的功率在峰值功率之后即时的下降，在底部的匙孔的开口尺寸并不太大，因此可以提供焊接工艺过程中的稳定性。
图5自背面观察到的匙孔的典型形貌
▲图6采用C-HW 和 M-HW在优化的参数下得到的焊接接头的比较：(a) C-HW, AP=2400W;(b) M-HW, AP=2400W, A=1200W and F=700Hz
▲图7在C-HW 和 M-HW工艺过程中，采用HCCD观察到的熔池顶部的图像：(a) C-HW, AP=2400W;(b) M-HW, AP=2400W, A=1200W 和F=700Hz.
图8在C-HW 和 M-HW工艺过程中熔池的顶部的孔径的匙孔到样品表面的距离的比较结果：(参数为: C-HW, AP=2400W; M-HW, AP=2400W, A=1200W and F=700Hz)
▲图9：调制幅度对表main形貌和焊缝的横截面的影响：焊接参数为：AP=2400W and F=700Hz
▲图10调制幅度对表main形貌和焊缝的横截面的影响：焊接参数为：AP=2400W and A=1200W
▲图11（a）原始的HCCD图像；（b）熔池和凝固的焊缝的不规则颜色的图像；（c）HCCD图像的不规则图像的灰度图像；（d）黑白图像
文章来源：Effects of power modulation on behaviours of molten pool and keyhole during laser–arc hybrid welding of pure copper,Materials & Design,Volume 194, September 2020,108829,https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108829
