借助同步輻射技術(shù)，焊接過(guò)程如今能夠以空前清晰的細(xì)節(jié)被實(shí)時(shí)觀測(cè)。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）與亞琛工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)教席的研究團(tuán)隊(duì)正在德國(guó)電子同步加速器（DESY）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，讓蒸氣毛細(xì)孔、熔融流動(dòng)及缺陷等現(xiàn)象首次顯形。這項(xiàng)突破不僅優(yōu)化了電池與微電子器件的生產(chǎn)工藝，更為新材料研發(fā)開(kāi)辟了新路徑。

如何用同步輻射變革工業(yè)流程

在弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）與亞琛工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)教席的牽頭下，漢堡德國(guó)電子同步加速器內(nèi)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)“激光遇見(jiàn)同步輻射”正致力于攻克能催生工業(yè)創(chuàng)新的基礎(chǔ)科學(xué)難題。除上述機(jī)構(gòu)外，該聯(lián)盟還包括埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)、斯圖加特大學(xué)、伊爾梅瑙理工大學(xué)及維也納工業(yè)大學(xué)等知名學(xué)府。

位于漢堡德國(guó)電子同步加速器的“激光遇見(jiàn)同步輻射”研究團(tuán)隊(duì)由多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和高校成員組成

來(lái)自亞琛工業(yè)大學(xué)的項(xiàng)目經(jīng)理Christoph Spurk負(fù)責(zé)統(tǒng)籌系統(tǒng)、激光器及光學(xué)組件的運(yùn)輸安裝，并向由物理學(xué)家、IT專(zhuān)家、材料學(xué)家及機(jī)械工程師組成的研究團(tuán)隊(duì)分配任務(wù)。研究人員采用三班倒24小時(shí)工作制，在七天內(nèi)完成了總計(jì)700項(xiàng)不同實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)深入探究焊接、鉆孔與切割等工業(yè)激光加工過(guò)程，幫助團(tuán)隊(duì)更透徹地理解材料特性與行為，最終實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化。借助同步輻射，研究團(tuán)隊(duì)能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)真實(shí)的激光加工過(guò)程，觀測(cè)蒸氣毛細(xì)孔、熔體流動(dòng)乃至氣孔形成等微觀現(xiàn)象。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨率成像技術(shù)，首次完整記錄了蒸氣毛細(xì)孔形成及熔體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這一技術(shù)突破，為高功率電池焊接工藝的優(yōu)化提供了關(guān)鍵依據(jù)

為工業(yè)與研究?jī)?yōu)化的激光加工技術(shù)

研究表明，通過(guò)精確調(diào)控激光參數(shù)可顯著減少應(yīng)力裂紋，將孔隙率降至最低并提升導(dǎo)電性能。研究團(tuán)隊(duì)首次以高清成像捕捉到常導(dǎo)致加工缺陷的蒸氣毛細(xì)孔與熔體流動(dòng)現(xiàn)象，據(jù)此優(yōu)化了高功率電池的焊接工藝。

在DESY Petra III同步輻射光源P61A束線上搭建的相位對(duì)比視頻成像實(shí)驗(yàn)裝置

同步輻射憑借卓越的亮度與強(qiáng)度，不僅能實(shí)現(xiàn)微米乃至納米級(jí)分辨率的觀測(cè)，更能揭示最精細(xì)的材料結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)過(guò)程。光學(xué)系統(tǒng)將激光精準(zhǔn)聚焦于材料表面，配合每秒50000幀的高速攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化。Spurk團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)將把幀率提升至200000赫茲。為增強(qiáng)相位對(duì)比度，團(tuán)隊(duì)采用閃爍晶體將X射線轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光；當(dāng)對(duì)比度不足時(shí)，則通過(guò)在材料中添加鎢或碳化鎢顆粒作為示蹤劑——這些在圖像中呈現(xiàn)為黑點(diǎn)的顆粒，可清晰反映熔融金屬的流動(dòng)軌跡。

從汽車(chē)制造、航空航天到氫能與微電子領(lǐng)域，銅鋁接頭及金屬-塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)的無(wú)缺陷焊接需求無(wú)處不在。唯有實(shí)時(shí)可視化技術(shù)才能檢測(cè)出傳統(tǒng)方法無(wú)法識(shí)別的微觀材料缺陷。

激光焊接過(guò)程中蒸氣毛細(xì)孔與氣孔運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)檢測(cè)

為電動(dòng)交通、航空與微電子開(kāi)啟新視界

研究所連接與切割部門(mén)負(fù)責(zé)人Alexander Olowinsky博士指出：銅鋁復(fù)合接頭等復(fù)雜材料組合的研究對(duì)電動(dòng)交通至關(guān)重要，這類(lèi)材料廣泛應(yīng)用于高性能電池及其他關(guān)鍵部件。通過(guò)DESY獲得的數(shù)據(jù)，我們能制造出強(qiáng)度更高、可靠性更強(qiáng)的連接件。在輕量化制造領(lǐng)域，我們還在研究其他結(jié)構(gòu)化工藝，相關(guān)成果將直接推動(dòng)新技術(shù)研發(fā)。

同步輻射技術(shù)可早期檢測(cè)航空領(lǐng)域鋁鈦接頭的應(yīng)力裂紋與異常結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化制造工藝。此外，借助高速成像技術(shù)，鎳基高溫合金（如渦輪葉片材料）的激光粉末焊接工藝也得到顯著提升。微電子領(lǐng)域?qū)Ω呔冗B接工藝有著嚴(yán)苛要求——通過(guò)分析超薄銅線路中的熔體流動(dòng)，研究人員能有效避免短路與材料疲勞，這對(duì)半導(dǎo)體和印刷電路板生產(chǎn)尤為重要。

為工業(yè)創(chuàng)新提供精準(zhǔn)分析

“激光遇見(jiàn)同步輻射”聯(lián)盟的專(zhuān)業(yè)技術(shù)在這一領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要專(zhuān)業(yè)分析——這既需要深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也離不開(kāi)專(zhuān)用軟件的支持。研究團(tuán)隊(duì)每次實(shí)驗(yàn)帶回的數(shù)據(jù)量高達(dá)50TB。

“我們的優(yōu)勢(shì)不僅在于實(shí)驗(yàn)操作，更在于對(duì)結(jié)果的深度解讀，”Christoph Spurk解釋道，“通過(guò)處理復(fù)雜數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，我們將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為智能數(shù)據(jù)。這得益于團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科背景，唯有如此，同步輻射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能真正落地應(yīng)用。”

這項(xiàng)技術(shù)為客戶(hù)和合作伙伴帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)超工藝優(yōu)化范疇：所獲得的數(shù)據(jù)和洞見(jiàn)為全新的商業(yè)模式奠定了基礎(chǔ)，例如數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料開(kāi)發(fā)。企業(yè)可利用這些精準(zhǔn)分析結(jié)果，開(kāi)發(fā)針對(duì)特定應(yīng)用的定制材料，從而獲得決定性競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。奧迪、博世研究院和電裝等企業(yè)通過(guò)合作，顯著提升了生產(chǎn)效率并縮短了開(kāi)發(fā)周期。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

原創(chuàng)聲明：
本站所有原創(chuàng)內(nèi)容未經(jīng)允許，禁止任何網(wǎng)站、微信公眾號(hào)等平臺(tái)等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)載、摘抄，否則榮格工業(yè)傳媒保留追責(zé)權(quán)利。任何此前未經(jīng)允許，已經(jīng)轉(zhuǎn)載本站原創(chuàng)文章的平臺(tái)，請(qǐng)立即刪除相關(guān)文章。