極窄小孔的穩(wěn)定性仍然是20kW或更高級別激光焊接的最大挑戰(zhàn)。本文研究了小孔失穩(wěn)的根本原因，包括褶皺結(jié)構(gòu)引起的熱失穩(wěn)和蒸汽引起的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)。建立了多相流模型，結(jié)合高效的自由表面重構(gòu)算法和高精度的皺紋面結(jié)構(gòu)觀測平臺，研究了極窄小孔表面的形態(tài)演化和熱力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，小孔前壁上存在的褶皺結(jié)構(gòu)(駝峰)可以顯著調(diào)節(jié)小孔的能量分布，改變小孔的受力狀況。駝峰分布異常引起的能量積累過大是導(dǎo)致小孔孔壁波動(dòng)不穩(wěn)定的原因。通過提高焊接速度，抑制了激光與小孔開口之間的間歇接觸行為，從而有助于減少駝峰的產(chǎn)生。通過增大激光功率，避免了固-液界面的打孔效應(yīng)，提高了小孔前壁熔化層的向下流動(dòng)效率。提出了一種基于焊接速度和激光功率調(diào)節(jié)的皺紋控制優(yōu)化策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的皺紋面結(jié)構(gòu)顯著提高了小孔的穩(wěn)定性。

方法

實(shí)驗(yàn)采用的是連續(xù)波光纖激光器(IPG YLS-30000)，其光束參數(shù)為：最大激光功率30kW，波長～1070 nm，纖芯600mrad m，光頭F180/F470，瑞利長度31.47 mm，光束參數(shù)乘積22.8 mm×μ。工藝參數(shù)如表1所示。母材為30 mm厚的SU316L鋼板。化學(xué)成分如表2所示。焊接前，鋼板用丙酮溶液清洗，以去除氧化膜和油脂。采用氣體保護(hù)氣體側(cè)向供氣，流量1.5m~3/h，將透明石英玻璃(GG17)與現(xiàn)場觀察的焊接試件對接。激光光斑位于對接接頭上，偏向不銹鋼，以避免玻璃軟化。從光束中心到對接的距離為光斑半徑的1/2。使用5000fps(每秒幀)的高速相機(jī)(Phantom V611)觀察小孔和熔池輪廓。使用最大功率為30W的半導(dǎo)體激光器(808 Nm)照射觀察區(qū)。在相機(jī)鏡頭上組裝了一個(gè)透射帶為808 nm的帶通濾光片，以濾除周圍的光線。

為了研究激光深熔焊接過程中表面皺紋組織的產(chǎn)生和蒸汽壓的波動(dòng)，建立了多相(固、液、氣/氣)模型。在該模型中，提出了一種基于三線性插值法的快速自由曲面重建方法(TRI-MC)[21]，用于計(jì)算皺紋結(jié)構(gòu)的幾何信息。對激光反射、局部蒸發(fā)、熔池流動(dòng)和小孔動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了直接模擬。為了降低計(jì)算成本，對以下過程進(jìn)行了簡化：假設(shè)小孔附近的流體流動(dòng)為層流、不可壓縮和牛頓流動(dòng)；焊接過程中忽略了保護(hù)氣體的沖擊。

表面張力的計(jì)算公式為：

?m是純金屬在熔點(diǎn)Tm的表面張力，A是純金屬的d?/dt的負(fù)值，R是氣體常數(shù)，S是飽和時(shí)的表面過剩，Kseg是平衡分凝系數(shù)，H0是標(biāo)準(zhǔn)吸附熱，H‘Mi是偏摩爾能，Ki是與分凝熵有關(guān)的常數(shù)。

圖1(A)中顯示了計(jì)算領(lǐng)域的圖形說明。計(jì)算域的大小設(shè)置為20 mm×2 mm×25 mm。計(jì)算域劃分為1.25億個(gè)邊長為0.02 mm的六面體網(wǎng)格。在初始狀態(tài)下，將厚度為20 mm的下部設(shè)置為工件層(階段2)，將厚度為5 mm的上部設(shè)置為環(huán)境空氣層(階段1)。前壁(Y=0)被設(shè)置為對稱邊界條件，頂面(Z=25 mm)被設(shè)置為壓力輸出邊界條件，其他表面被定義為壁邊界條件。使用了Ansys-FLUENT®軟件用于模擬。采用C語言編寫的用戶自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)光線跟蹤過程。圖1(B)顯示了光線追蹤過程的驗(yàn)證案例，在該案例中，一束平行光束被射入具有不同表面粗糙度的方腔。圖1(C)表明，在高Ra條件下，隨著表面粗糙度的變化，能量分布明顯改變，更多的能量集中在第一反射區(qū)。表3列出了模擬中使用的物理特性。

圖1.(A)計(jì)算區(qū)域和高斯熱源分布示意圖；(B)不同表面粗糙度下激光光線追蹤模型的驗(yàn)證；(C)不同表面粗糙度下的反射點(diǎn)分布。

主要結(jié)論

(1)根據(jù)鑰匙孔半徑（r）和局部蒸汽噴射流特征長度（lv）的比值，后鑰匙孔壁可能受到兩種支撐力的支撐。當(dāng)r/lv<1時(shí)，鑰匙孔受蒸汽噴射壓力的作用，保持在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)r/lv>1時(shí)，鎖孔受蒸汽靜壓的作用，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)下，匙孔具有更強(qiáng)的抗干擾能力（匙孔半徑波動(dòng)）。通過將吸收的激光強(qiáng)度調(diào)整到0.2至0.5 MW/cm2的范圍內(nèi)，可將鎖孔控制在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2）能量吸收率與鑰匙孔前壁駝峰的幾何形狀密切相關(guān)。隨著駝峰尺寸的增大，吸收的激光強(qiáng)度可能會在幾個(gè)駝峰上過度集中（>0.5 MW/cm2），從而導(dǎo)致匙孔劇烈波動(dòng)。抑制大尺寸駝峰的產(chǎn)生是調(diào)節(jié)能量分布、提高焊接過程穩(wěn)定性的主要手段。

(3)駝峰是在激光束與鑰匙孔開口間歇接觸時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)焊接速度高于蒸發(fā)速度（vc≥vp）時(shí)，駝峰可被完全抑制。但在焊接速度較低（vc<2 m/min）時(shí)，駝峰則無法完全避免。

(4)當(dāng)熔體向下流動(dòng)受阻時(shí)，駝峰尺寸會迅速增大，固液界面上存在的階梯狀平臺是熔體受阻的原因。提高激光功率有助于改善熔化層的向下流動(dòng)，減少固液界面的熱傳導(dǎo)（熔化層鉆孔效應(yīng)）。因此，駝峰的尺寸可以限制在可接受的范圍內(nèi)。