使用激光高回火中的照像拉里间隙钎焊
高端热成像与ImageIR® 8300 hp
激光器是工业和制造技术中极其通用的工具。由于它们的灵活性，它们是实现行业4.0目标的关键技术。尽管如今激光切割和焊接被视为交钥匙技术，但大多数激光应用，例如混合材料的连接，3D打印或超短脉冲处理，仍需要大量的研究和开发。
亚伦大学激光应用中心 (LAC) 深入研究和开发激光材料加工的新方法。因此，在公共研发项目中开发和研究了用于增材制造的创新材料，包括用于电动汽车的磁性材料或电能存储材料。另一个重点是轻质建筑。在此，除其他事项外，研究了用于CO2-efficient迁移率概念的由铝和CFRP制成的混合金属化合物和混合轻质结构。新开发的工艺铝激光抛光和高温毛细管间隙钎焊已在工业项目中使用。
激光过程是高度动态的热诱导过程，无法用肉眼检测到。经常使用的高速可视摄像机无法可视化组件中的热流。不可能对移动的非常小的液态金属进行接触温度测量。此外，加工区应不受测量系统的影响。这正是热成像相机所做的，它同时提供高帧速率和高空间分辨率。
特殊配置的激光材料加工中的图形相机
基于激光的生产涉及对热成像相机使用的特殊要求。其原因之一是加工温度通常为500 °C至2,000 °C。此外，必须保护相机的组件免受加工过程引起的溅射。如果激光制造过程发生在特定气氛下的工艺室内，则测量部分富含气体。特别是必须保护相机的光学器件免受反射的激光辐射的影响。因此，它配备了用于固态激光器的激光保护透镜和用于直通玻璃和高温测量的滤光片。由于采取了这些预防措施，因此可以在靠近激光束的地方使用相机，而不会出现任何问题。
经过适当配置，来自InfraTec的热成像相机ImageIR® 8300 hp支持LAC的高空间和时间分辨率。使用相机的MicroScan功能，可以以超过百万像素的空间分辨率拍摄图像。10 GigE接口允许在全帧模式下高达355Hz的快速数据传输。由于光学封装由具有50毫米焦距的远摄镜头和用于将最小聚焦距离减小到170毫米的特写镜头组成，研究人员可以轻松地使相机适应变化的工作距离和被测物体的尺寸。
分析脾气和害羞; 温度控制行为和害羞; 激光束高温焊接过程中的振动
Aalen大学的LAC与来自奥格斯堡的工业合作伙伴conntronic Prozess- und Automatisierungstechnik GmbH一起，正在公共资助的研究项目 “enAbLe” 的框架内，研究用于汽车和机械工程管组件的耐腐蚀钢的激光高温毛细管间隙钎焊。与感应和熔炉钎焊相反，激光束是一种灵活且高效的工具。挑战一方面在于需要高纯的还原工艺环境以去除氧化层以良好地润湿铜焊料，另一方面在于接合区的均匀回火。对于均匀加热，通过同轴集成的高速高温计将激光束控制到1,300 °C的所需工艺温度，该高温计具有几千赫兹的采样率。除了温度控制外，暴露策略还对温度区的形成具有决定性的影响。除有限元模拟外，热成像相机还用于经验实验中的过程开发。
实验在具有红外4 kW盘激光TruDisk 4002的六轴TLC 1005激光单元中进行。测试几何形状由管插头连接，奥氏体铬镍钢1.4301组成，管外径为10毫米和7.9毫米。偏移120 ° 的三个焊点固定管道-插头连接。焊料是来自Voestalpine的纯铜，呈焊环的形式 (参见前图1c)。用于测试的氧气还原处理室在盖子上有一个激光可透过的光束进入窗口。焊接试验在残余氧含量小于150 ppm的成形气体气氛中进行。大气通过残留氧气测量装置进行监测。在此过程中，夹紧在三爪卡盘中的焊接组件通过外部旋转机器轴围绕管轴线旋转。激光束散焦至9毫米的直径，并径向回火接合区的外表面 (参见图1b)。光束中心定向在焊环的中心。
管插入式连接器的激光束高温毛细管间隙焊接工艺顺序
激光焊接过程分为三个阶段: 加热，组件旋转焊接和冷却。在10 s的加热阶段 (见图，上排)，激光器以固定方式将面对的部件表面加热到1,300 °C的控制温度。在焊接阶段 (见图，中间行)，组件以540 °/min的角速度进行完全旋转。在铜焊料库已经熔化之后，焊料间隙填充开始于31.9秒。由于铜的排放量较低，成形圆角看起来比连接伙伴的周围钢表面凉爽。由于焊料的非常好的导热性，内管的直通加热也从这一点开始 (图中的16.3 s处的图片与31.9 s处的图片之间的差异)。在激光器的完全旋转和关闭结束时，组件在18 s内冷却到600 °C以下 (见图，下排)。
A加热
B组件旋转
C制冷
D插入焊接间隙填充
P1Max.像素温度
P2Max.像素温度
温度-时间序列分析
热成像相机的测量数据允许随后进行多种过程分析。上图中的图显示了两个测量点的温度-时间顺序，分别是激光光斑中心的P1和内管上的P2。在这种情况下，间隙填充过程中的动态温度变化很突出。
图中显示了通过无故障激光焊管插头连接的纵向横截面。所呈现的样品显示出完整的间隙填充而没有孔隙率。两侧均匀形成的凹槽确保了管道内部良好的力分布和低湍流流动。
由于对进一步的热像数据的评估，可以进一步优化温度控制策略，并且可以实现少于10 s的焊接时间。
收集重要流程知识
关于激光焊接，热成像技术为工艺开发提供了重要的见解。因此，可以确定用于最佳加热的优化路径规划，同时可以减少周围区域的热负荷。LAC旨在通过类似的任务实现可比的结果。例如，借助热成像相机，在选择性激光熔化的3D金属打印过程中，温度分布记录在每一层中。重点主要在于所用材料的加热和冷却行为，这直接影响所形成的结构质量。
