激光切割能切钛板吗(基于光束振荡技术的高能效激光焊接的参数研究)

Posted 2023-06-01

篇首语：盛年不重来，一日难再晨，及时当勉励，岁月不待人。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了激光切割能切钛板吗(基于光束振荡技术的高能效激光焊接的参数研究)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

激光切割能切钛板吗(基于光束振荡技术的高能效激光焊接的参数研究)

江苏激光联盟导读：

本文介绍了光束振荡条件下的激光焊接工艺的实验研究。

摘要：本研究采用实验设计(DoE)法研究了5级钛板的振荡激光焊接工艺，旨在开发经验模型，将焊接质量与工艺参数相关联。对于连续波(CW)模式，考虑了三个参数：峰值功率、线速度和振荡速度。对于脉冲模式，考虑了五个参数：峰值功率、每个脉冲的匝数、占空比、线速度和振荡速度。反应是多方面的，但可以分为三组：熔合区、焊接特性和工艺的能源效率。针对熔合区的表面宽度和深度以及工艺的能源效率开发了多项式模型，但没有观察到显微硬度和孔隙率的可靠相关性。模型的Predicted-R2值高于0.82，表明有可能以足够的精度预测接头的质量。

DoE结果表明，这些参数以复杂的方式相互作用并取决于响应。在所考虑的工艺参数范围内，激光功率对CW模式下熔合区的深度、表面宽度和能源效率的影响最大。在脉冲模式下，激光功率仍然是影响熔合区表面宽度的主要因素，但线速度对其他响应的影响最大。由于经验模型的简单性和足够的精度，经验模型的开发有利于焊接过程的优化。在达到最高能效的同时，展示了一种对熔合区的几何结构的特定要求的优化过程。

1. 引言

经济和环境的可持续性是制造业的主要优先事项。不断上涨的能源价格和公众环境意识是这一运动的主要驱动力。国际能源署(IEA)的一项统计研究表明，制造业的能源消耗量占全球电力生产的30%以上，占全球二氧化碳排放量的36%(国际能源署，2017)。然而，高达40%的能量输入并不会增加产品的最终价值，只能用于建立稳定的过程(Allen等，2002)。因此，需要对这些过程进行系统研究，特别关注能源效率。Yan等人(2017)估计，仅电弧焊接工艺的能耗降低1%，每年的总能耗就会减少20亿千瓦以上。不幸的是，作为工艺参数函数的能源效率在文献中几乎没有报道，特别是对于激光材料加工等非常规工艺。

本文研究了一种新的激光焊接的方法——激光光束振荡焊接技术。激光焊接作为激光技术在工业制造中最流行的应用之一，与传统焊接(如电弧焊)相比，具有能耗低、非接触加工产生的磨损材料少、精度高和热输入低等优点。该过程是高度动态的，其最终质量受到来自材料和激光辐射的众多参数的影响。对于钥孔模式尤其如此，这是一种深激光焊接模式，在此期间材料被强烈汽化，并且焊接深度(D)和激光束直径(Φlaser)之间的比率为D/Φlaser >1*。在激光束振荡焊接情况下，复杂性进一步增加。该过程涉及沿焊缝或穿过焊缝以高频振荡的激光束，而不是传统焊接中的线性轨迹。由此产生的高速激光束被证明可以提高工艺的稳定性，即减少缺陷，特别是在钥孔模式下。这种最新开发的技术在焊接铜和铝等高反射材料方面显示出潜力，表明有可能取代其他更耗能的方法。

这种技术的另一个优点是它的能源效率。首先，通过合适的振荡轨迹，可以用更小的激光束覆盖更大的表面积，从而显著降低激光功率以获得相似的焊缝深度。其次，振荡运动期间光束路径的重叠允许每个表面位置与激光束多次相互作用。由于先前的扫描对表面进行了修改/预热，该过程可能会增强工件中激光能量的耦合。

尽管取得了有希望的结果，但由于工艺的复杂性和许多因素的参与，建立工艺参数、焊接质量和能源效率之间的依赖关系仍具有挑战性。因此，还没有哪项工作根据工艺参数来研究激光束振荡焊接的能源效率。同样，工艺参数与焊接质量之间的相关性尚未成功确定。最近确实有一些关于这一主题的研究，其中使用了一次只改变一个因子的方法。不幸的是，这种方法有一个主要缺点，即缺乏有关因素之间可能相互作用的信息。为了克服这个问题，通常利用实验设计(DoE)方法来研究主要因素(如激光工艺参数)的影响，以及它们对选定响应(如焊接质量)的相互作用。这种统计方法已应用于传统的激光焊接，并获得了合适的结果。特别是，Benyounis等人(2005)和Khan等人(2011)建立了多项式模型，将激光焊缝的宽度和深度与激光功率、焊接速度和焦点位置联系起来。Vakili-Farahani等(2016)表明，相关性也可以通过线性模型可靠地表示，该模型还包含工艺参数之间的相互作用。总的来说，这种统计方法的优势在于能够开发半经验模型来近似尚未完全理解的高度复杂的工艺。必须强调的是，DoE方法是提供工艺结果的简化表示。除了预测焊接质量的可能性之外，开发的模型还可以优化工艺参数以满足特定要求，这对工业应用非常重要。

本文通过使用实验设计(DoE)方法的参数化实验方法，对5级Ti板的激光束振荡焊接进行了研究。为保证成品的完整性，激光工艺必须符合规定的尺寸和机械规范；特别是它必须满足熔合区的焊缝宽度、深度、硬度和孔隙率以及工艺能效方面的要求。

本文由5个部分组成。第2节介绍了用于实验的激光装置、模型设计以及所选响应的测量步骤。第3节介绍了DoE模型，并演示了基于开发模型和接头质量特定要求的工艺优化。第4节讨论了这些模型。第5节总结了调查结果。

2. 实验装置和过程

2.1 激光装置和材料

使用光纤激光器StarFiber 150P进行焊接实验。激光器可以在连续波(CW)或脉冲模式下工作。激光束通过纤芯直径为12μm的光纤引导至配备170mm焦距镜头的激光头扫描仪hurrySCAN 30。这种配置在焦点(1/e2)处产生了一个直径为30μm的激光光斑。激光头允许各种各样的激光束轨迹，但在目前的工作中只考虑了圆振荡。

焊接样品是2mm厚的5级Ti板。之所以选择这种材料，是因为在金相制备步骤之后，它的熔合区可以很容易地用光学显微镜观察到。将样品放置在一个充满氩气的环境压力(约0.945巴)的受控环境室中，以避免氧化。激光束通过一个由透射率约为90%、5mm厚的玻璃板组成的观察窗进入腔室。

2.2 实验设计

在激光焊接中，许多因素可能会影响接头质量。它们可以分为两大类：(1)工艺参数和(2)材料因素。每组又可分为子组，如工艺参数包括激光波长、激光和样品速度等。为了揭示这些因素中哪些对焊接性能和质量影响最大，我们采用了DoE方法。有关DoE方法论以及所有术语(如置信区间、零假设等)的详细信息，读者可以咨询Montgomery(2017)。

在本文中，假设各种因素之间的相互作用对响应有重大影响。因此，选择了2水平析因设计或2k析因设计，其中k对应于独立因子的数量。这种方法考虑到每个系数k有两个水平(Montgomery，2017)。它通常用于参数筛选。k个因子的影响及其相互作用的一阶多项式模型可以用方程(1)表示：

(1)

其中Y是实验响应，a0是常数，Xi是因子，ai是与因子Xi相关的主效应系数(半效应)，aij是交互效应系数(半效应)，ε(也称为残余)为在响应Y中观察到的误差。可以使用等式(2)计算系数或半效应：

(2)

该模型系数矩阵，N是总运行次数，XT是模型矩阵的转置。

模型系数矩阵是一个包含经验模型的系数/因子的矩阵。矩阵形式用于促进求解使用实验结果获得的线性方程组。与一次只改变一个因子的方法相比，析因设计可以更好地了解实验因素对输出结果的影响，因为还考虑了这些因素之间可能的相互作用(Montgomery，2017)。

所需的实验数量随着因子的数量呈指数增加(Montgomery，2017)。因此，为了避免不可接受的实验数量和具有许多参数的极其复杂的模型，其中大多数参数将限制为对激光过程没有影响，有必要预先定义相关的实验因素。为了限制调查因素的数量，仅考虑圆的直径固定为0.5mm的圆轨迹。光束的轨迹如图1a所示。根据焊接模式选择相关的因素，第2.2.1和2.2.2节给出了理由。

▲图1 焊接过程中激光束轨迹示意图(a)和轨迹的放大视图，表示速度项Vl和Vw

2.2.1 连续波模式

CW模式需要考虑三个因素：激光功率(Pp)、线速度(Vl)和振荡速度(Vw)。速度项如图1b所示，其中V1也是焊接板相对于激光头的速度。通过初步试验确定了所选参数的低水平(−1)和高水平(1)，实际值列于表1中。该表还包含它们的编码值；将参数值标准化为−1和1是为了便于评估因素的显著性，由于不同参数值范围的差异，这可能会很困难。

工艺参数范围的选择是基于焊缝不会因飞溅而造成材料严重损失的要求，飞溅通常发生在高激光功率下。由于扫描仪的机械限制，最大振荡速度为600mm/s。为了研究CW模式，我们选择了2水平全析因设计。以随机顺序进行了总共23=8次实验，来最小化系统误差。

▲表1 CW模式下实验设计的因子、水平和编码值

2.2.2 脉冲模式

连续波模式和脉冲模式的区别在于后一过程中激光束的开启和关闭。因此，需要考虑额外的因素，为此选择占空比Cd和每个脉冲的匝数NTP。前者可以表示为Cd=Tp⋅f其中Tp和f分别是激光脉冲的持续时间和重复率。该因子代表1秒内的实际照射时间。由于激光源设置的约束，它被选为独立因子而不是Tp和f。另一方面，NTP与Tp和Vw(振荡速度)有关，根据NTP=，其中Φ 是振荡直径，在这项研究中固定为0.5mm。为了解释这个变量，值得强调的是，在这个实验配置中获得的熔池小于振荡直径。因此，连续接头的要求之一是激光束在每个激光脉冲期间至少完成一圈，即NTP≥1。脉冲模式参数选择范围见表2。

基于表2的全析因设计至少需要25=32个实验。为了减少实验次数，我们选择了一个分数析因设计，其中交互作用Pp⋅NTP⋅Cd⋅Vl⋅Vw作为生成器，且Vw=Pp⋅NTP⋅Cd⋅Vl。这种选择导致需要2(5-1)=24=16次实验(Montgomery，2017)。在这种情况下，每个主效应都有一个四因子交互作用(如Pp→Pp+NTP⋅Cd⋅Vl⋅Vw)以及每一个带有三因子交互作用的双因子交互作用(如Pp⋅NTP→Pp⋅NTP+Cd⋅Vl⋅Vw)(Montgomery，2017)。这被定义为一个分辨率R=V的设计。它有望提供有关主效应和双因素交互效应的重要信息。

▲表2 脉冲模式下实验设计的因子、水平和编码值

2.3 相关的实验响应和样品分析

焊缝顶部和横截面的代表性光学图像如图2所示。将焊缝切片，然后用Kroll试剂抛光并蚀刻15秒。由于熔化和再凝固过程，熔合区(FZ)对Kroll试剂的蚀刻具有最高的抵抗力，其次是热影响区(HAZ)，最后是基材(BM)。图2b的光学图像中显示了这三个不同的区域。

在目前的工作中，熔合区的几何形状，特别是表面宽度(SW)、深度(D)和显微硬度Ha都是值得关注的。图2显示了SW和D。它们是通过AxioPlan Zeiss显微镜的光学观察确定的。SW直接在接缝表面测量(图2a)。D被定义为在焊缝的横向横截面处观察到的焊缝中心处FZ的深度(图2b)。

▲图2 焊缝的(a)顶部和(b)横向横截面的代表性光学图像。SW是指熔合区(FZ)的表面宽度，HAZ是热影响区，BM是母材，D是焊缝深度。焊接在脉冲模式下进行，激光功率为250W，每个脉冲的转动次数为1，占空比为0.33，线速度为1mm/s，振荡速度为350mm/s。

FZ的显微硬度Ha使用微压痕测试仪通过焊接点横向横截面的微压痕测试进行测量。硬度压头是维氏硬度计，载荷为0.98N(HV0.1)。对于每个横截面，大约在FZ横向深度的一半处制作三个压痕：一个在焊缝中心，另外两个在每侧相距100μm，如图3中的红色箭头所示。对每个压痕的对角线测量十次，以获得每个压痕的维氏硬度的统计可靠平均值。然后将一个焊缝的三个压痕值取平均值，得到FZ的平均维氏硬度。

▲图3 微压痕测试后焊缝横向横截面的代表性光学图像示意图。使用250W的激光功率、8mm/s的线速度和350mm/s的振荡速度在CW模式下进行焊接。FZ用红色定界。微压痕测试位置用红色箭头标记。

此外，正如引言中提到的，激光束振荡焊接技术具有很大的节能潜力。因此，在本研究中，还考虑了工艺的能源效率η。该响应被定义为由1J的激光输出能量产生的熔合区体积(Fuerschbach,1996)。因此，η可以用以下公式进行数学表达。

(3)

对于CW模式

(4)

对于脉冲模式，其中AFZ是在横向横截面处测量的熔合区面积(见图3b)。为了确定能源效率η，使用软件ImageJ在光学图像上测量熔合区AFZ的面积。之后，使用等式(3)或(4)计算η。选择的响应及其符号列于表3中。

▲表3 考虑过的响应及其符号

3. 结果

本部分分为四个子节。3.1介绍了CW模式和脉冲模式的实验结果。由于因子和响应仅用于开发不同的模型，所以没有对这些结果进行详细的讨论。DoE分析是使用Stat-Ease的Design-Expert®Version 9软件进行的。为了清晰和简洁，3.2详细描述了仅用于脉冲模式下的SW步骤和方差分析(ANOVA)作为示例。对其他所有模型进行了相同的步骤和分析，结果在3.3中给出。最后，3.4报告了过程的工艺优化，目的是最小化激光功率(Pp)和占空比(Cd)，最大化线速度(Vl)和能量效率(η)，并实现730±10μm的焊接表面宽度(SW)和100±20μm的深度(D)。

3.1 实验结果

表4和表5分别给出了CW和脉冲模式的实验矩阵。它们包含表1和表2中定义的编码值中的实验参数列和实验顺序。为了避免系统误差，实验以随机运行顺序进行。表格显示了所检测响应的测量值。

▲表4 带有编码值的实验矩阵，包括CW模式的响应

Run order	Factors					Responses
Run order	Pp	NTP	Cd	Vl	Vw	SW [μm]	D [μm]	Ha [HV0.1]	η [·10−3 mm3/J]
6	−1	−1	−1	−1	1	694	150	326.11	1.93
13	1	−1	−1	−1	−1	803	264	317.85	2.52
10	−1	1	−1	−1	−1	726	137	304.85	2.12
7	1	1	−1	−1	1	759	255	329.60	2.28
14	−1	−1	1	−1	−1	733	145	314.14	1.26
2	1	−1	1	−1	1	792	373	305.44	2.47
12	−1	1	1	−1	1	689	124	307.20	1.13
11	1	1	1	−1	−1	872	405	311.04	2.77
15	−1	−1	−1	1	−1	693	71	312.39	6.39
8	1	−1	−1	1	1	713	105	319.84	4.77
9	−1	1	−1	1	1	660	48	294.17	4.82
1	1	1	−1	1	−1	809	105	323.33	7.49
4	−1	−1	1	1	1	678	84	314.59	3.56
3	1	−1	1	1	−1	807	109	316.76	4.97
16	−1	1	1	1	−1	704	53	312.56	3.54
5	1	1	1	1	1	756	65	319.53	2.97

▲表5 带有编码值的实验矩阵，包括脉冲模式的响应

3.2 脉冲模式下熔合区表面宽度(SW)的建模

3.2.1 SW的第一次加工图

该响应的平均实验值取自表5。表6列出了所有项的半效应(HE)和相对半效应(RHE)。前者使用等式(2)计算，而后者被定义为HE与因子a0的比率。例如，对于因子Pp，RHE由100*=6.2%得到(见表6)。该响应的半正态分布如图4a所示，具有负(蓝色方块)和正(橙色方块)标准化效应。在此图中，可忽略因子的正态分布中心接近于零，而具有显著影响的因子的正态分布中心位于其相应的较大但未定义的效应值(Montgomery,2017)。因此，沿粉红色线的项对响应的影响可以忽略不计，而偏离线的项则对响应具有显著影响。因此，四个主要效应Pp、Vw、Vl和Cd被认为对SW有显著影响，并在图4a中显示为空心方块。对未选择的项进行了Shapiro-Wilk检验，得出的Shapiro-Wilkp值为0.3。该检验通常用于统计学，以检查样本是否来自正态分布总体(Shapiro和Wilk，1965)。它在Design-Expert®软件中用于检查模型中实验确定的因子值是否呈正态分布，即代表噪声。如果p值高于0.1，则所考虑的因素无关紧要。在本分析中获得的0.3值证实了未被选择的点近似呈正态分布(Shapiro和Wilk，1965)。所有项的半效应(主要因素和相互作用)按其绝对值的降序绘制在图4b中。重要项的顺序如下：Pp(|HE|=45.88)>Vw(25.37)>Vl(12.92)>Cd(10.87)。

Term	HE	RHE [%]
a0	740.42	–
Pp	45.88	6.20
NTP	3.95	0.53
Cd	10.87	1.47
Vl	−12.92	−1.74
Vw= Pp·NTP·Cd·Vl	−25.37	−3.43
Pp.NTP	6.25	0.84
Pp.Cd	7.00	0.95
Pp.Vl	−2.13	−0.29
NTP.Cd	−2.50	−0.34
NTP.Vl	0.88	0.12
NTP.Vw	−5.5	−0.74
Cd.Vl	−2.125	−0.29
Cd.Vw	0.25	0.03
Vl.Vw	−0.38	−0.05

▲表6 响应SW项的半效应和相对半效应

▲图4 (a)半正态概率图显示了脉冲模式下焊缝SW的显著(空心方块)和不显著(全填充方块)影响；(b)绝对半效应及其相互作用在脉冲模式下以降序影响SW的条形图。

3.2.2 方差分析

图4和表6中选定项的重要性也使用具有95%置信区间的方差分析进行评估，结果如表7所示。在这种情况下，错误概率(p值)小于0.05的重要项，给出了一个95%的置信区间，p值大于0.05的项可以忽略。参数估计中的95%置信区间是值范围，如果重复测量，则有95%的置信水平包含参数的真实值。表7中显示的F值定义为：

(5)

其中项的均方(MSTerms)是项内的平方和与其自由度(SSTerms/DFTerm)的比值，同样，MSResidual=SSResidual/DFResidual。F值可以与线性模型缺乏拟合的平方和有关。缺乏拟合误差明显大于纯误差表明残差中还有一些东西可以通过更合适的模型去除。方程(5)是验证“零假设”的统计检验，即缺乏对对应响应具有统计学意义的因素。通常，对于F值大于其标准误差3倍的效应，则拒绝零假设。从表7可以看出，基于选定的主要因素和交互作用建立的模型的F值约为39，这意味着该模型具有很大意义。较小的p值(<0.0001)表明，该模型因噪声而出现的概率仅小于0.01%。所有选定项的p值也小于0.05，表明它们具有一定的意义。因此，我们可以得出结论，所开发的模型对于所研究的工艺窗口参数在95%时是可靠的。

脉冲模式下SW编码值的最终方程如下：

(6)

该模型的R2、调整后的R2和预测后的R2的值分别为0.9334、0.9091和0.8590。预测R2的高值是可取的，因为它表明模型可以以足够的精度预测SW。图5绘制了预测的SW(根据等式(6)计算)与实验测量值的关系。我们可以观察到模型和测量值之间的高度相关性。

▲表7 脉冲模式下SW的方差分析(ANOVA)

▲图5 对于2mm厚的Ti6Al4V板材，脉冲模式下预测的SW与测量的SW。

3.3 连续波和脉冲模式的表面宽度、深度和能效的建模

其他反应的分析是按照相同的步骤进行的。可获得两种焊接模式下的SW、D和η响应的重要模型，模型总结如表8和图6所示。后者显示了表8中给定模型的显著因素和相互作用的相对半效应的直观表示，使比较更容易。总的来说，结果证实了工艺参数之间的相互作用会对接头质量产生相当大的影响。获得的R2值表明所开发的模型具有统计显著性，可用于预测所检查的工艺参数范围内的相应响应。相反，对Ha的实验数据的统计分析只能得出p值大于0.05或R2值低于50%的模型。结果表明这些模型非常不重要，因此不包括在表8和图6中。

▲表8 CW和脉冲模式下，DoE模型仅包含SW、D和η的显著因素和相互作用

▲图6 CW模式(左列)和脉冲模式(右列)下的表面宽度SW、深度D和能效η模型的显著因素和相互作用的相对半效应的递增顺序的图形表示。

3.4 工艺优化

在3.3中，我们开发并验证了重要但独立的焊接质量模型。然而，在现实生活中，通常是以具有最小能耗和处理时间来确定接头熔合区的特定宽度和深度。为了找到产生最佳局部的最优效果的参数集，需要在过程参数空间的边界内进行优化操作。在目前的工作中，我们将使用开发的模型演示在脉冲模式下焊接优化的过程。特别是，我们定义了以下一组质量标准：SW=730±10μm，D=100±20μm。此外，激光功率和占空比必须最小化，而线速度必须最大化。这些标准汇总在表9中。在这项工作中，使用Design-Expert® Version 9软件进行优化。该迭代过程在过程参数空间的边界内运行以搜索产生最佳局部最优效果的参数集。优化的迭代次数限制为15。

图7显示了过程参数空间中导致可行响应值的区域的叠加。这些区域由对应于响应下限和上限的线限制，如SW在720-740μm范围内，D在80-120μm范围内。这些线是根据3.2和3.3中开发的模型构建的。黄色区域满足每个响应的目标。由上一段中提到的数值优化工序确定的最佳工艺参数集，在图7中用红点标记。根据模型，这组参数产生最接近预定义标准的响应。相应的工艺参数列于表9中。为了确认此优化结果，使用最佳参数制作了12个额外的焊接样品。代表性样品的光学图像如图8所示。SW、D和η的测量值分别为735.83±15.98μm、78.6±14.31μm和5.71±1.10*10−3mm3/J。

▲表9 脉冲模式下优化焊接质量的标准

▲图7 本示例的最佳处理参数范围示意图，最佳解决方案用红点标记。黄色区域满足表9中的每个响应。

▲图8 优化焊缝的(a)顶部和(b)横向横截面的光学图像示意图。SW是指熔合区(FZ)的表面宽度，HAZ是热影响区，BM是母材，D是焊缝深度。焊接在脉冲模式下进行，激光功率为177.64W、线速度(Vl)为6.99mm/s、振荡速度(Vw)为350mm/s、每个脉冲的转动次数(NTP)为1.96，占空比(Cd)为0.33。

4. 讨论

在本节中，根据3.3中介绍的模型中的系数，讨论了不同工艺参数对焊缝性能的影响。在详细介绍之前，需要提到的是熔合区的尺寸是由包含主要因素和多达两个因素的交互项的线性模型可靠地表示出来的。预测后的R2的非常高的值(高于0.85)表明，这些半经验模型可以提供对工艺结果的足够精确的预测。因此，整合复杂的物理现象会使模型显著复杂化，而其精度只有略微的提高。然而，需要强调的是，本研究中开发的模型的有效性仅在选定的加工参数范围内得到证明。为了在处理窗口范围之外进行推算，用于统计分析的实验数据需要相应地更新。此外，值得注意的是图6中效应符号的含义。特别是，正效应意味着相应因子的增加会导致响应增加，反之亦然。相反，负效应意味着相应因子的增加导致响应的降低，反之亦然。

4.1 表面宽度(SW)

表8中的线性模型表明，在两种模式下，激光功率Pp对该响应的影响最为显著。在脉冲模式下，Pp和Cd的影响是正面的，而速度项Vl和Vw的影响是负面的。这一观察结果可以用热输入来解释，可用以下公式表示：

(7)

其中Vlaser是激光束相对于工件的速度。在激光束振荡焊接的情况下，该参数可表示如下：

(8)

方程(7)表明，随着Pp和Cd的增加，更高的辐射能量沉积到材料中，导致更大的熔池。另一方面，速度Vlaser的增加(在振荡焊接的情况下是Vl和Vw的组合)会降低热输入，这与这些因素对响应SW的负面影响一致。

在CW模式下观察到类似的相关性，但在这种情况下，V1的影响相当微不足道，因此不包括在模型中。需要进一步的研究来证实这一观察结果，并采用全因子设计来提高分析的分辨率。

4.2 熔合区的深度D

关于FZ的深度D，所构建的模型具有非常好的p值和R2值，这表明它们相当可靠。在脉冲模式下，Pp和Cd对D有积极影响，而速度相关项的影响则是消极的，类似于对表面宽度SW观察到的结果。另一方面，CW模式的模型表明，在所考虑的工艺参数范围内，仅通过预测后的R2值高达0.97的激光功率Pp就可以充分预测D。包含速度项Vl和Vw，虽然增加了模型的复杂性，但只能使预测能力有微不足道的改进。令人惊讶的是，如4.1中讨论的那样，后一项应该直接影响热输入，这对深度至关重要(Benyounis等人，2005年；Vakili-Farahani等人，2016年)。为了检验多项式相关的可能性，对表10中列出的处理参数进行了额外的实验。结果与初始数据一起显示在图9中。

▲图9 在CW模式下实验测量的熔合区深度与激光功率的关系。这些数据包括来自设计测试和新测试的结果。

获得了高达0.95的皮尔逊相关系数，这意味着存在线性相关的可能性。因此，观察到的Vl和Vw的显着性可能仅限于所考虑的参数范围，不应被视为一般趋势。将使用全因子设计或扩展范围的工艺参数进行进一步研究，以更好地了解相关性。

4.3 能源效率η

根据定义，η是对真正有助于熔化工件的激光能量量的估计。不幸的是，由于激光材料相互作用的复杂性，制定该参数具有挑战性，这需要考虑许多物理现象，如热传导、熔化、Maragoni效应、蒸发和相变。由于光束路径的重叠，其复杂度随着激光束的振荡运动而进一步增加。这种重叠会导致工件表面在随后暴露于激光辐射之前被修改/加热，这会显著影响入射激光辐射的能量耦合。

在目前的工作中，成功地建立了η与工艺参数之间相关性的经验模型。对于CW模式，Pp、Vl及其相互作用项对响应具有积极影响，即这些因素的增加会导致η的增加，反之亦然。在以往的其他工作中也观察到Pp对传统激光束焊接具有积极影响。必须强调的是，根据表4和表5中的D测量值，焊接实验是在小孔模式下进行的。因此，增加激光功率会导致小孔通道的深度增加，从而改善工件中的激光能量沉积。此外，预计Pp的增加会对工件表面的粗糙度产生更显著的改变，从而在随后的振荡运动的转弯期间增强激光吸收。另一方面，V1的影响可以简单地归因于它对总处理时间的影响，这会影响激光能量消耗的总量。

在脉冲模式下，模型更加复杂，因为Cd和Vw的额外贡献对η有负面影响。Pastras等人(2014)在脉冲激光钻孔中观察到η对Cd的类似依赖性。作者提到，由于部分能量被反射，工件中的激光能量耦合在每个激光脉冲开始时效率并不高。因此，降低Cd会减少激光能量损失的总量。关于Vw，出乎意料的是，这个因素在CW模式下相当微不足道，而在脉冲模式下有负面影响。从理论上讲，Vw的增加会改善工件中的能量耦合，因为加工区由前一轮激光束预热，这应该会导致更好的光吸收。这个问题将在未来的工作中加以解决。

尽管缺乏对所开发模型的物理解释，但这些模型对实际应用具有重要意义。这些模型预测后的R2值高于0.8，表明它们可以在不考虑复杂物理现象的情况下以足够的精度估计η。因此，可以在没有大量计算需求的情况下对结果进行估计。模型的局限性在于它们仅在检查的工艺参数范围内进行了验证。当考虑其他范围的工艺参数时，需要对模型进行验证和适当调整。

4.4 显微硬度Ha

在目前的工作中，没有获得响应Ha的可靠相关模型。这可能是由于4.2中提到的线性假设以及与所用测量方法相关的实验结果的不准确性。

理论上，这种物理特性很大程度上取决于焊缝的微观结构。最近，有研究表明，接头的微观结构，包括相含量、晶粒尺寸和晶粒取向，沿着接缝的横向截面是不均匀的。在传统焊接的情况下，光束沿线性路径移动，由于冷却速率非常高且中心有柱状结构，焊缝边缘大多为等轴结构。该技术中激光束的振荡运动会导致材料重新熔化和凝固，从而导致微观结构的复杂性更高，从而导致显微硬度值的波动更大。因此，宏观尺度的机械测试，如拉伸试验，可能可以更好地评估接头强度。这个问题也将在未来的工作中解决。

5. 结论

本文利用实验设计方法来研究激光束振荡焊接情况下接头性能与工艺参数之间的相关性。实验响应包括焊缝熔合区的表面宽度SW、焊缝深度D和显微硬度Ha以及工艺的能源效率η。该研究同时考虑了CW和脉冲模式。为了减少模型的因素数量，仅考虑直径为0.5mm的圆形光束路径。对于CW模式，考虑了激光功率Pp、线速度Vl和振荡速度Vw来进行全因子设计。对于脉冲模式，还考虑了额外的因素，占空比Cd和每个脉冲的匝数NTP。由于参数数量较多，在这种情况下只使用了部分设计。

视频加载中...

SW和D与工艺参数之间的相关性可以通过包含两种焊接模式的主要因素和双因素交互项的线性模型来可靠地表示。在建立的模型中，激光功率是两种焊接模式中最重要的因素。它对响应有积极影响，而速度相关项有消极影响。

还为该过程的能源效率开发了可靠的模型。在CW模式下，三个主要项是Pp、Vl及其交互Pp.Vl，其中Pp最重要。相反，V1是脉冲模式模型中最主要的因素。这种经验模型的开发对于激光束振荡焊接工艺的工业应用具有特别的意义，因为它们不仅简单同时仍能达到足够的精度。为了演示所开发模型的使用，在CW模式下执行一个优化程序，并对焊缝几何形状和最佳能效提出了一组特定的要求。

相反，由于实验数据的较大变化，没有获得可靠的显微硬度Ha模型。测量值的变化主要来自焊缝微观结构的变化。由于再凝固过程中冷却速度的差异和熔池的振荡运动，预计会出现高度复杂的微观结构分布。建议通过宏观尺度力学试验更好地评估接头强度。

最后，不论结果如何，所开发的模型只在很窄的工艺参数范围内得到了验证。因此，在工艺范围窗口之外使用我们的模型时必须谨慎。

▲图10 凝固结构图（在焊缝中的在凝固材料的晶粒结构）

▲图11 在200 Hz时的横向光束振荡（Lateral beam oscillation）: (a)在毛细管的形状时的束流轨迹和时间的刹那的分析。 (1−4) 为采用X射线在（a）中的时间刹那的特定时间测量得到的毛细管的平均形状。Each of the images图 (1−4)中的每一个图为相1到4时为一个振荡周期，参数为: fy = 200 Hz, ay = 0.75 mm, P = 6 kW, v = 4 m/min and df = 560 µm.

▲图12 在100 Hz时的圆形光束振荡: (a) 在毛细管的形状进行分析时的束流轨迹和时间刹那。 (1−4) 为在采用X射线系统在（a）中进行测量毛细管的时候得到的平均形状。参数为: fx,y = 100 Hz, ax,y = 0.75 mm, P = 6 kW, v = 4 m/min and df = 560 µm.

▲图13 在100Hz的时候，纵向光束振荡的焊接过程中的系列X射线图像，显示的微气泡的形成过程和反复出现的泡沫通货膨胀。工艺参数为: fx = 100 Hz, ax = 0.75 mm, P = 6 kW, v = 4 m/min, df = 560 µm.

文章来源：Energy-efficient laser welding with beam oscillating technique – A parametric study,Journal of Cleaner Production,Volume 313, 1 September 2021, 127796,https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127796

参考文献：Reduction of pores by means of laser beam oscillation during remote welding of AlMgSi，Optics and Lasers in Engineering，Volume 108, September 2018, Pages 68-77,https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2018.04.012

江苏激光联盟陈长军原创作品！