Лазерная сварка: при близкой глубине одномодовый луч дал пористость 2,5% против 11,4%

Работа UCL, Research Complex at Harwell, IPG Photonics и ESRF вышла в журнале Communications Materials 18 сентября 2026 года

Исследователи из Великобритании, Канады, Германии, США и Франции сняли парогазовый канал при мощной лазерной сварке алюминия и меди синхротронным рентгеном с частотой до 1 МГц и встроенной когерентной визуализацией (ICI). При близкой глубине проплавления одномодовый луч при 1 м/с дал в алюминии пористость 2,5%, многомодовый при 0,4 м/с — 11,4%.

Как поставили опыт

Сварочную установку UCL и IPG Photonics мощностью до 8 кВт смонтировали на линии ID19 Европейского центра синхротронного излучения (ESRF). Источники — два иттербиевых волоконных лазера IPG (1070 нм) с регулируемым профилем луча (adjustable mode beam, AMB): центральное пятно плюс кольцо. Диаметр центрального пучка (D4σ) у одномодового (single-mode, SM) лазера — 58 мкм, у многомодового (multi-mode, MM) — 144 мкм. Мощность центрального пучка в сравнительных опытах — 2 кВт, кольца — 2–3 кВт.

Образцы — пластины из технически чистого алюминия EN AW-1050A толщиной 4 мм и меди Cu-ETP (CW004A) толщиной 1,5 мм, швы — проплавлением без зазора. Глубину канала одновременно мерили рентгеном и соосным датчиком ICI на суперлюминесцентном диоде 840 нм, оба с частотой 200 кГц. С частотой 1 МГц сняли точечную сварку алюминия одномодовым лучом 3 кВт.

Что показала съёмка

При одинаковых 2 кВт и 1 м/с одномодовый канал в алюминии получился примерно на 220% глубже многомодового, отношение глубины к ширине — 15:1. Для сравнения пористости при близкой глубине многомодовый режим замедлили до 0,4 м/с: при 1 м/с его широкий канал заметных пор не дал. Узкий канал, объясняют авторы, образует тонкие жидкие перемычки, которые быстро прорываются: при схлопывании канала пар реже запирается в крупные полости. В меди одномодовый канал вышел шире и мельче, чем в алюминии.

Добавление кольца расширило устье канала на 12–35% и подавило выпучивание его задней стенки: поверхность шва стала ровнее, пористость снизилась. Цифр пористости для кольцевых режимов в статье нет.

Насколько точен ICI

Датчик меряет оптический путь луча, а не геометрическую глубину, и отражения от стенок канала дают ошибку. В многомодовом режиме в алюминии 81% измерений с сигналом выше 11 дБ совпали с рентгеном в пределах суммарной погрешности, в одномодовом режиме в меди — 48%. Около 70% измерений не дали сигнала выше порога шума, и эффективная частота совпадающих с рентгеном измерений — 45 и 31 кГц. По оценке авторов, этого хватает, чтобы заметить изменение глубины за доли миллисекунды, но фильтрацию сигнала нужно настраивать под материал и профиль луча.

Контекст

Авторы называют мощную лазерную сварку ключевой технологией производства электромобилей, а свои режимы — характерными для сварки токовыводов и шин (busbar) аккумуляторных батарей. Типичные материалы, по их словам, — алюминиевые сплавы, медь, никелированная сталь и их сочетания. Показания ICI на производстве калибруют по шлифам — в отдельных сечениях, а не по всему шву. Ранее ICI сверяли с рентгеном в работе Fleming и соавторов, но на шве глубиной всего 215 мкм в сплаве 6061. Влияние одномодового и многомодового луча с кольцом в съёмке в процессе сварки, по данным авторов, не описывали.

Следующим шагом авторы называют библиотеку пар «форма канала — сигнал ICI» и переход к сварке со сканером.

Источники

1. Tao Z., Liu J., Marussi S., Chen H.-C., Gorskiy A., Oreshkin A., Howard E., Kim K., Bhagavath S., Song C., Rack A., Hopson Safatli D., Lee P. D., Markushov I., Fleming T., Leung C. L. A. Correlative high-speed synchrotron X-ray and inline coherent imaging of high-power laser welding // Communications Materials. 2026. Поступила 21 апреля 2026 года, принята 2 сентября 2026 года, опубликована 18 сентября 2026 года. Открытый доступ, CC BY 4.0. https://doi.org/10.1038/s43246-026-01363-y
2. Метаданные статьи в Crossref: api.crossref.org/works/10.1038/s43246-026-01363-y