磁場對激光燒蝕鋁的特性分析

王賀巖 李昌立

摘 要

利磁場對激光燒蝕鋁的特性分析用不同的激光參數，大體上可將激光加工分為激光熱加工、光化學反應加工兩大類，其中激光焊接是一門重要的工業技藝，激光填充絲激光束焊接的一個典型問題是熔池稀釋不足，導致焊縫中元素分布不均勻。利用低頻磁場，可以改變熔池內的流動條件，有可能改變熔池的稀釋度，文章描述了電磁攪拌焊的優異性和應用前景。

關鍵詞

激光焊接;磁場;鋁

中圖分類號： ?TG456.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.076

Abstract

Different laser parameters can be used to analyze the characteristics of laser ablation aluminum with a favorable magnetic field.Generally，laser processing can be divided into two categories： laser thermal processing and photochemical reaction processing.Among them，laser welding is an important industrial technology.Laser filling A typical problem with wire laser beam welding is insufficient dilution of the molten pool，resulting in uneven element distribution in the weld.The use of low-frequency magnetic fields can change the flow conditions in the molten pool and may change the dilution of the molten pool. The article describes the superiority and application prospects of electromagnetic stirring welding.

Key Words

Laser welding;Magnetic field;Aluminum

1 磁場輔助激光焊接的特性分析

眾所周知，填充絲激光束焊接在工藝穩定性、間隙橋接能力和改變熔池化學成分的能力方面具有許多優勢。材料為鋁的情況下，通常使用金屬絲形式的填充材料，通過向熔池中引入硅或鎂等合金元素來克服冶金缺陷，如熱裂紋的發生。然而，深熔焊接中復雜的熔體流動（見例）常常抑制這些合金元素的必要稀釋，導致合金元素在剩余焊縫中的不均勻分布。在液相過程中增加稀釋度的一個潛在工具是利用電磁力改變熔體流動。除了已知對熔體流動具有阻尼效應的穩定場外，主要導致過程穩定，高頻磁場通常用于提供表面力，該力可用于減少激光誘導熔池中的焊接下垂，或在非常高的頻率或脈沖情況下，使均勻的固體材料變形（例如在電磁成形）。與低頻磁場有關的體積力可以理解為脈沖力，它周期性地阻尼垂直于磁力線的熔體流動。最近的研究還表明，在激光束焊接過程中，磁場可以對熔池稀釋產生有益的影響。

2 磁場輔助激光焊接的研究

鋁在激光束焊接中容易形成氣孔，Verhaeghe和Hilton，2004。根部熔池不穩定可能導致氣泡。所謂的工藝氣孔是由于部分熔透焊接中的小孔動力學而產生的，Seto等人，2001年。鋁與氧的高親和性可以很快在熔體中形成氧化物層，從而阻止氣泡逸出，MaSeS，2002。在交流磁體的幫助下，孔隙可以從液體熔體中逸出并穿過氧化物層。施加在熔池上方的振蕩磁場會產生一種力，將導電性較高的顆粒（熔融鋁）壓向熔池底部，Bojarevics等人，1989年。由此產生的提升力在最大磁場的方向上推動具有較低電導率（氣泡）的粒子。文獻證實，這是可能的，通過電磁力，阿維洛夫和摩爾多瓦，2009年和高橋和Taniguchi，2003年。可實現的結果不是由于鐵磁效應，而是由于熔池中的洛倫茲力，Moffat，1991。AC螺線管可進一步影響焊縫表面，直至形成更平滑的表面，Avilov等人，2012年。兩個磁極之間合適的臨界工藝參數是提高激光加工工藝的手段之一。磁性對熔體的影響會導致在高動態扭矩下凝固，從而形成非常粗糙的表面。磁場可能會影響增加熔體動力學，從而有利于熔體噴射。焊縫表面的粗糙度取決于電磁鐵兩極相對于激光作用點的位置。

3 優勢與應用前景

激光焊接具有焊接速度快、熱輸入低等優點。激光光束形成一個近乎平行的側壁的窄型熔池。在熔池凝固過程中，沿鍵孔軸線的縱向和橫向收縮應力變化遠低于大多數其他焊接技術。這導致工件的屈曲和彎曲非常低。部分熔透激光束焊接的第一個問題是小孔尖端不穩定，這是氣孔的主要來源——氣泡在小孔尖端附近留下小孔。這種類型的孔隙率以其大尺寸為特征，通常直徑大于10微米，在此稱為工藝孔隙率。其中一些Analysis of magnetic field on laser ablation of aluminum氣泡沒有足夠的時間離開熔體。它們將被困在熔池后部的凝固前沿或熔池表面的氧化層。較傳統激光焊接工藝，磁場作用下激光對金屬的電磁攪拌可以有效減小焊縫，細化焊縫的金屬組織，提高了焊縫的性能，而工業CO2和Nd：YAG激光器在汽車、航天工具、電子工業、生物醫學等工業中廣泛應用于鋁件的高質量連接，因而磁場作用下的激光焊接較傳統激光加工工藝可以有效地提高加工質量和效率。

4 結論

論文通過對磁場下激光焊接鋁靶材的特性進行分析，介紹了磁場改變的激光焊接的機理，并對目前的發展進行了總結分析，闡述了磁場對比激光焊接與傳統激光焊接的優勢與應用前景。

參考文獻

[1]Russo R E，Mao X L，Liu C，et al.Laser assisted plasma spectrochemistry：laser ablation[J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry，2004，19.

[2]Chichkov B N，Momma C，Nolte S，et al.Femtosecond，picosecond and nanosecond laser ablation of solids[J].Applied Physics A （Materials Science Processing），1996，63（2）：109-115.

[3]Momma C，Chichkov B N，Nolte S，et al.Short-pulse laser ablation of solid targets[J].Optics Communications，1996，129（1-2）：134-142.

[4]楊德才，劉金合.外加磁場對激光焊接熔深的影響[J].激光技術，2001，25（5）.

[5]Walsh J T，Flotte T J，Deutsch T F.Er：YAG laser ablation of tissue：Effect of pulse duration and tissue type on thermal damage[J].Lasers in Surgery and Medicine，1989，9（4）：314-326.

[6]Garrison B J，Srinivasan R.Laser ablation of organic polymers：Microscopic models for photochemical and thermal processes[J].Journal of Applied Physics，1985，57（8）：2909-2914.

[7]李凌宇.磁場輔助激光沉積涂層微觀組織與性能研究[D].