空间功率分布对铜激光焊接小孔时变行为影响的同步辐射高速成像研究

针对铜激光焊接中因小孔不稳定导致飞溅和气孔等缺陷的问题，研究人员利用高速同步辐射X射线成像技术，系统研究了同心功率分布（核心-环形光束）对小孔时变行为的影响。研究发现，核心主导过程小孔几何形状波动显著，环形主导过程熔池动力学增强但穿透深度减小，而稳定的核心-环形功率分布可最小化波动、提高工艺稳定性。该研究为优化铜激光焊接工艺、提升电动汽车关键部件制造质量提供了重要理论依据。

　　

随着电动汽车和电磁驱动技术的快速发展，铜材料的高效连接成为制造过程中的关键环节。激光束焊接凭借其短加工时间、非接触能量输入和高自动化程度等优势，在该领域展现出重要应用价值。铜材料因其优异的导电性能，被广泛应用于电池技术、功率电子设备和电机等关键部件。然而，铜在固态下对近红外波长的吸收系数较低，熔化时吸收率急剧增加，同时热导率减半，这种特性导致材料瞬间汽化并形成小孔（keyhole）。小孔的形成依赖于开口压力与闭合压力之间的平衡，包括反冲压力、微分蒸汽压力、表面张力压力、静水压力和动水压力等多种因素的复杂相互作用。

这种复杂的压力平衡与能量传递、金属蒸汽、熔体流动和大气压力等因素密切相关，导致激光焊接过程（尤其是高速焊接时）产生显著波动。小孔的波动表现出各向异性，可描述为穿透深度和小孔孔径的非谐振荡，从而导致不均匀的熔深、加速熔池运动引起飞溅，甚至小孔夹断形成气孔。近年来，尽管在理解小孔和熔池相关缺陷（如飞溅和气孔）的形成机制方面取得了进展，但空间功率分布对小孔形状、强度分布以及动态行为的影响尚未得到详细描述。

为了解决上述问题，Klaus Schricker等研究人员在《Optics》上发表了一项综合性研究，利用高速同步辐射X射线成像技术，系统探讨了空间功率分布对铜激光焊接过程中小孔时变行为的影响。该研究通过调整核心光束（core）和环形光束（ring）的功率分配，结合先进图像处理技术和射线追踪模型，深入分析了小孔几何形状、吸收行为和动态振荡频率的变化规律，为优化焊接工艺、减少缺陷提供了重要见解。

研究采用的主要技术方法包括：使用COHERENT HighLight FL8000-ARM光纤激光器产生同心强度分布的光束，核心直径89μm，环形内径109μm、外径208μm；在欧洲同步辐射装置（ESRF, beamline ID19）进行高速同步辐射X射线成像，帧率达20,000幅/秒；通过改进的平场校正和像素分类（ilastik软件）提取小孔几何参数；利用COMSOL Multiphysics 6.1构建二维射线追踪模型，计算小孔壁上的吸收强度分布。实验材料为Cu-ETP（CW004A）铜材，样本宽度2mm，焊接速度恒定在10m/min。

研究结果分为以下几个部分：

3.1. 基于高速射线照相的典型工艺行为

通过高速成像序列发现，核心主导过程（P_core=3.5kW）小孔波动剧烈，几何形状变化迅速，易在底部和中部形成凸起（bulging），导致飞溅和熔体喷出。环形主导过程（P_ring=3.5kW）小孔深度减小、孔径增大，熔池波动增强，气孔形成概率升高。而核心-环形组合分布（如P_core=1.5kW, P_ring=2.0kW）显著减少了波动，提高了工艺稳定性。

3.2. 时变小孔行为的评估

通过假彩色时序图分析发现，随着环形功率增加，小孔深度的波动逐渐减小，凸起位置从底部向顶部移动。纯核心功率时凸起主要出现在小孔下部（T_Brel≈0.45–0.85），而纯环形功率时凸起集中于上部（T_Brel≈0–0.2）。核心-环形组合分布实现了小孔几何的过渡和稳定。

3.3. 几何参数的量化

研究发现，随着环形功率增加，小孔深度线性下降，且在环形功率达到1.5kW时出现显著跃变。纯核心过程小孔深度波动大，而组合分布时深度稳定性提高。凸起相对位置（T_Brel）的统计表明，环形功率的增加使凸起更靠近小孔顶部。

3.4. 选定功率分布下的激光束功率吸收

射线追踪模型显示，纯核心过程吸收强度最大值位于小孔底部（I_abs,max=6.97×10⁶W/cm2），易引发喷射和深度波动。纯环形过程吸收强度最大值转移至小孔孔径区域（I_abs,max=2.94×10⁶W/cm2），导致金属蒸汽与熔池波相互作用增强。组合分布时吸收强度分布更均匀，最大强度降低，有助于稳定小孔。

3.5. 不同核心-环形功率分布的振荡频率

频率分析表明，纯核心过程小孔深度和孔径波动振幅大，且随频率增加呈指数下降。纯环形过程在13Hz和40Hz处出现显著峰值，孔径波动振幅高达100μm。组合分布（P_core=1.5kW, P_ring=2.0kW）的波动振幅显著降低，表明工艺稳定性最佳。

研究结论与讨论部分强调，同心功率分布通过调节吸收强度分布和小孔几何形状，直接影响小孔动态行为。核心主导过程波动剧烈，易产生缺陷；环形主导过程熔池温度升高、表面张力降低，虽减少深度波动但增加气孔和飞溅风险；而稳定的核心-环形分布通过平衡开口和闭合压力，最小化波动，显著提高工艺稳定性。该研究不仅深化了对铜激光焊接机理的理解，还为工业应用中优化光束整形、减少缺陷提供了可靠的理论依据和实践指导。