研究人員使用強大的X射線獲得了ARM激光焊接過程中的高分辨率圖像，深入研究焊接過程，開發更好的工藝。

Coherent應用實驗室的工程師，在X射線的幫助下，對光纖激光焊接過程進行了更加深入的研究。

激光焊接的表面之下發生了什么？

過去，研究人員曾使用傳統的高速視頻，對光纖激光焊接過程進行了廣泛研究。高速視頻為研究焊接過程中產生的熔融金屬和蒸汽池（稱為“小孔”）的動力學原理提供了參考。 

通常，相機放置在零件上方，從俯視的角度來記錄焊接表面發生的情況。但是，小孔內發生的變化比從頂部看到的要多得多。 

怎樣才能真正了解零件內部發生的變化呢？人們過去曾通過X射線視頻來實現此目的。但這些視頻始終無法提供足夠的細節，因為X射線源不夠強大。 

德國伊爾默瑙工業大學的生產技術團隊與漢堡Coherent應用實驗室之間展開研究合作，他們設想使用比以往任何時候都更強大的X射線源直接穿過固體金屬，來看清零件內部發生的變化。這允許從側面觀看焊接過程的高分辨率影像，從而能夠看到焊接過程中小孔的確切形狀和演變。

提高 ARM 光纖激光焊接性能

該團隊使用這種方法研究了Coherent可調環模光纖激光器（FL-ARM）的運行。FL-ARM提供了驚人的結果——高強度鋼的無裂紋焊接、無填充焊絲的鋁焊接以及銅的成功焊接。這主要得益于ARM激光器能夠在焊接過程中精確控制零件的加熱和冷卻；但我們并不完全了解這一切是如何發生，不了解每個環節的細微差別。

該團隊研究了光纖激光器在焊接銅、鋁以及其他比較難焊接的非常薄的熱敏板材的焊接過程。他們通過直觀呈現焊接過程、揭示小孔動力學原理，并了解不同ARM激光功率分布對銅材料焊接過程中飛濺形成的影響，從而更深入地探討所有這些過程的工作原理。研究的最終目標是改善焊接結果，并開發更可靠的生產方法。

歐洲同步輻射裝置

全世界只有少數裝置可以產生足夠強大的X射線，來執行該團隊所需要的那種成像工作。其中最有名的強大X射線源之一，是位于法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射裝置極亮源（ESRF-EBS），它專門為健康、清潔能源、材料科學、藝術和人類學等不同領域的研究人員提供服務，它甚至被用于研究蜂巢和 1.19 億年前的魚類化石。

同步加速器本身是一個周長為844米的管，內部真空度非常高。電子在其中環繞并被加速到接近光速。環周圍的磁鐵用于使電子快速改變其行進方向，發生這種情況時，電子會發出異常高能的X射線。   

這些X射線隨后被向下引導至44條不同“光束線”中的一條或多條。這些光束線位于進行實際研究的實驗室和相關儀器中。  

不拘一格進行實驗

圖1：Coherent應用實驗室的工程師們，在歐洲同步加速器輻射裝置中，使用非常強大的X射線獲得了ARM激光焊接過程中的高分辨率橫截面視圖。

Coherent應用實驗室團隊組裝了一個焊接裝置，其中包括8kW HighLight FL-ARM光纖激光器。來自伊爾默瑙工業大學生產技術團隊的研究小，組構建了一種在焊接過程中自動固定和移動零件的機制，以及聚焦光學系統和輔助氣體輸送系統。 

所有這些設備都被帶到ESRF、并放置在其中一條光束線上的“實驗艙”（一個完全包裹在75mm厚的實心鉛屏蔽層內的房間）中。研究人員安全地坐在一段距離之外的另一個房間里，在計算機控制下進行焊接，同時將裝置暴露在X射線下。將X射線轉換為可見光的攝像頭系統，以每秒50,000幀的速度記錄焊接動作。研究團隊對包括不銹鋼、銅和鋁在內的各種金屬，進行了數百次單獨的焊接測試。 

這一過程提供了哪些信息呢？這要分析14TB的數據，要完全回答這個問題需要一些時間。但我們已經看到，在銅匯流排焊接測試中，視頻清楚地表明：在適當的功率分布下（中心梁和環形梁的功率大致相等），小孔表現穩定，小孔底部沒有收縮；相反，當中心光斑功率過高時，毛細管會在底部收縮，這將導致飛濺和形成氣孔；如果環功率太高，熔融物會溢出到小孔中，突然蒸發，并導致材料噴射。

此外，該團隊還研究了保護氣體對毛細管形成的影響，這些發現提供了對型材焊接的更深入洞察。

對數據的進一步分析，將有助于更好地準確了解中心光束和環形光束之間的功率比，如何影響各種焊接工藝的結果。這些知識將幫助 Coherent應用實驗室開發更強大和一致的焊接工藝配方，為客戶提供更好、甚至更快的焊接工藝。