極(ji)(ji)窄小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)穩(wen)(wen)定性仍(reng)然是20kW或更高級別激(ji)光(guang)焊接(jie)(jie)(jie)的(de)(de)最(zui)大挑(tiao)戰(zhan)。本(ben)文研究(jiu)了(le)(le)小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)失穩(wen)(wen)的(de)(de)根本(ben)原(yuan)因，包括褶(zhe)皺(zhou)結(jie)(jie)構(gou)引(yin)起(qi)的(de)(de)熱(re)失穩(wen)(wen)和蒸(zheng)汽引(yin)起(qi)的(de)(de)動態失穩(wen)(wen)。建立(li)了(le)(le)多相流模型，結(jie)(jie)合高效的(de)(de)自由表面(mian)重構(gou)算(suan)法(fa)和高精度(du)(du)的(de)(de)皺(zhou)紋面(mian)結(jie)(jie)構(gou)觀(guan)測平臺，研究(jiu)了(le)(le)極(ji)(ji)窄小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)表面(mian)的(de)(de)形態演化(hua)和熱(re)力學(xue)行為。研究(jiu)發現，小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)前(qian)壁(bi)上存在的(de)(de)褶(zhe)皺(zhou)結(jie)(jie)構(gou)(駝峰)可以顯(xian)著(zhu)調(diao)節小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)能(neng)量分(fen)布(bu)，改變(bian)小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)受力狀況。駝峰分(fen)布(bu)異常引(yin)起(qi)的(de)(de)能(neng)量積累過大是導致小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)壁(bi)波動不穩(wen)(wen)定的(de)(de)原(yuan)因。通過提高焊接(jie)(jie)(jie)速(su)度(du)(du)，抑制了(le)(le)激(ji)光(guang)與小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)開口之間的(de)(de)間歇接(jie)(jie)(jie)觸(chu)行為，從而有助于減少駝峰的(de)(de)產生。通過增大激(ji)光(guang)功率(lv)，避免了(le)(le)固-液界面(mian)的(de)(de)打孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)效應，提高了(le)(le)小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)前(qian)壁(bi)熔化(hua)層的(de)(de)向下(xia)流動效率(lv)。提出(chu)了(le)(le)一種基于焊接(jie)(jie)(jie)速(su)度(du)(du)和激(ji)光(guang)功率(lv)調(diao)節的(de)(de)皺(zhou)紋控制優化(hua)策略。實驗結(jie)(jie)果表明，優化(hua)后(hou)的(de)(de)皺(zhou)紋面(mian)結(jie)(jie)構(gou)顯(xian)著(zhu)提高了(le)(le)小孔(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)的(de)(de)穩(wen)(wen)定性。

方法

實驗采用(yong)(yong)的(de)(de)是連續(xu)波(bo)光(guang)纖(xian)激光(guang)器(IPG YLS-30000)，其光(guang)束(shu)參數為(wei)：最大(da)激光(guang)功率(lv)30kW，波(bo)長(chang)～1070 nm，纖(xian)芯600mrad m，光(guang)頭F180/F470，瑞利長(chang)度31.47 mm，光(guang)束(shu)參數乘積22.8 mm×μ。工藝參數如表(biao)1所示。母材為(wei)30 mm厚(hou)的(de)(de)SU316L鋼(gang)板。化(hua)學(xue)成分(fen)如表(biao)2所示。焊接(jie)前，鋼(gang)板用(yong)(yong)丙酮溶液清(qing)洗，以去除氧化(hua)膜和(he)油脂。采用(yong)(yong)氣(qi)體保護(hu)氣(qi)體側向供氣(qi)，流量1.5m~3/h，將(jiang)透明(ming)石(shi)英玻璃(li)(GG17)與現場觀(guan)(guan)察的(de)(de)焊接(jie)試件(jian)對接(jie)。激光(guang)光(guang)斑(ban)位(wei)于對接(jie)接(jie)頭上，偏向不銹(xiu)鋼(gang)，以避免(mian)玻璃(li)軟化(hua)。從光(guang)束(shu)中心到對接(jie)的(de)(de)距離為(wei)光(guang)斑(ban)半徑的(de)(de)1/2。使(shi)用(yong)(yong)5000fps(每秒(miao)幀)的(de)(de)高速相機(Phantom V611)觀(guan)(guan)察小(xiao)孔和(he)熔池輪廓。使(shi)用(yong)(yong)最大(da)功率(lv)為(wei)30W的(de)(de)半導體激光(guang)器(808 Nm)照射(she)觀(guan)(guan)察區。在相機鏡(jing)頭上組裝了(le)一個透射(she)帶(dai)為(wei)808 nm的(de)(de)帶(dai)通濾(lv)光(guang)片，以濾(lv)除周圍的(de)(de)光(guang)線。

為了(le)研究(jiu)激光(guang)深(shen)熔(rong)(rong)焊(han)接過(guo)程(cheng)中(zhong)表(biao)面皺紋(wen)組織的(de)產(chan)生和蒸(zheng)汽壓的(de)波動(dong)，建立了(le)多相(固(gu)、液、氣/氣)模(mo)型。在該(gai)模(mo)型中(zhong)，提(ti)出了(le)一種(zhong)基于(yu)(yu)三線性(xing)插值法的(de)快速自由(you)曲面重建方法(TRI-MC)[21]，用于(yu)(yu)計算皺紋(wen)結構的(de)幾何信(xin)息。對(dui)激光(guang)反(fan)射(she)、局部蒸(zheng)發、熔(rong)(rong)池(chi)流(liu)動(dong)和小孔動(dong)力學進行(xing)了(le)直接模(mo)擬。為了(le)降低(di)計算成本，對(dui)以下過(guo)程(cheng)進行(xing)了(le)簡化：假設小孔附近的(de)流(liu)體流(liu)動(dong)為層流(liu)、不(bu)可壓縮和牛頓流(liu)動(dong)；焊(han)接過(guo)程(cheng)中(zhong)忽略了(le)保護(hu)氣體的(de)沖擊。

表面張力的計算公式為(wei)：

?m是(shi)純(chun)金(jin)屬在熔點Tm的表(biao)面張力，A是(shi)純(chun)金(jin)屬的d?/dt的負值，R是(shi)氣體(ti)常(chang)數，S是(shi)飽和時的表(biao)面過剩，Kseg是(shi)平衡分凝(ning)系數，H0是(shi)標準吸附熱，H‘Mi是(shi)偏摩爾能，Ki是(shi)與(yu)分凝(ning)熵有關的常(chang)數。

圖1(A)中(zhong)顯示(shi)(shi)了計算(suan)領域(yu)的(de)(de)圖形(xing)說(shuo)明。計算(suan)域(yu)的(de)(de)大小設(she)置(zhi)為(wei)20 mm×2 mm×25 mm。計算(suan)域(yu)劃分為(wei)1.25億個邊(bian)(bian)長為(wei)0.02 mm的(de)(de)六面(mian)體(ti)網格。在(zai)初始(shi)狀態下(xia)，將厚度為(wei)20 mm的(de)(de)下(xia)部設(she)置(zhi)為(wei)工件(jian)層(階(jie)(jie)段2)，將厚度為(wei)5 mm的(de)(de)上部設(she)置(zhi)為(wei)環境空(kong)氣層(階(jie)(jie)段1)。前(qian)壁(Y=0)被(bei)設(she)置(zhi)為(wei)對稱邊(bian)(bian)界條件(jian)，頂面(mian)(Z=25 mm)被(bei)設(she)置(zhi)為(wei)壓力(li)輸(shu)出邊(bian)(bian)界條件(jian)，其他表(biao)面(mian)被(bei)定義為(wei)壁邊(bian)(bian)界條件(jian)。使用(yong)了Ansys-FLUENT®軟件(jian)用(yong)于模(mo)擬。采用(yong)C語言編寫的(de)(de)用(yong)戶自定義函數(UDF)實(shi)現(xian)光(guang)線(xian)跟蹤過程。圖1(B)顯示(shi)(shi)了光(guang)線(xian)追蹤過程的(de)(de)驗證案例，在(zai)該案例中(zhong)，一(yi)束(shu)(shu)平行光(guang)束(shu)(shu)被(bei)射(she)入具有不同表(biao)面(mian)粗糙度的(de)(de)方腔。圖1(C)表(biao)明，在(zai)高Ra條件(jian)下(xia)，隨著(zhu)表(biao)面(mian)粗糙度的(de)(de)變化，能量分布明顯改變，更多(duo)的(de)(de)能量集(ji)中(zhong)在(zai)第一(yi)反射(she)區。表(biao)3列(lie)出了模(mo)擬中(zhong)使用(yong)的(de)(de)物理(li)特性。

圖1.(A)計算區域和高斯熱源分布示意圖；(B)不同表面粗(cu)糙(cao)度(du)下激光(guang)(guang)光(guang)(guang)線追(zhui)蹤(zong)模型的驗證；(C)不同表面粗(cu)糙(cao)度(du)下的反射點分布。

主要結論

(1)根據鑰匙孔(kong)(kong)(kong)半(ban)徑（r）和局部蒸汽(qi)噴射(she)流特征長度(du)(du)（lv）的(de)(de)比(bi)值(zhi)，后(hou)鑰匙孔(kong)(kong)(kong)壁可能受到兩(liang)種(zhong)支撐力(li)的(de)(de)支撐。當r/lv<1時(shi)，鑰匙孔(kong)(kong)(kong)受蒸汽(qi)噴射(she)壓(ya)力(li)的(de)(de)作(zuo)用，保持(chi)在(zai)(zai)動(dong)態(tai)(tai)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)狀態(tai)(tai)。當r/lv>1時(shi)，鎖(suo)孔(kong)(kong)(kong)受蒸汽(qi)靜壓(ya)的(de)(de)作(zuo)用，處(chu)于(yu)臨(lin)界穩(wen)(wen)定(ding)(ding)狀態(tai)(tai)。在(zai)(zai)動(dong)態(tai)(tai)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)狀態(tai)(tai)下，匙孔(kong)(kong)(kong)具有更強(qiang)的(de)(de)抗干擾能力(li)（匙孔(kong)(kong)(kong)半(ban)徑波(bo)動(dong)）。通過將(jiang)吸(xi)收的(de)(de)激光強(qiang)度(du)(du)調整到0.2至0.5 MW/cm2的(de)(de)范(fan)圍(wei)內，可將(jiang)鎖(suo)孔(kong)(kong)(kong)控制在(zai)(zai)動(dong)態(tai)(tai)穩(wen)(wen)定(ding)(ding)狀態(tai)(tai)。

(2）能量(liang)(liang)吸收(shou)率與(yu)鑰(yao)匙孔前(qian)壁駝峰(feng)的(de)(de)幾(ji)何形狀(zhuang)密切相(xiang)關。隨著駝峰(feng)尺(chi)寸的(de)(de)增(zeng)大(da)，吸收(shou)的(de)(de)激光(guang)強度可能會在(zai)幾(ji)個駝峰(feng)上過度集中(zhong)（>0.5 MW/cm2），從(cong)而導致(zhi)匙孔劇(ju)烈波動。抑(yi)制(zhi)大(da)尺(chi)寸駝峰(feng)的(de)(de)產生是(shi)調節(jie)能量(liang)(liang)分布、提高(gao)焊接過程(cheng)穩(wen)定(ding)性的(de)(de)主(zhu)要手(shou)段(duan)。

(3)駝峰(feng)是在激光束與鑰(yao)匙孔開口間歇接觸(chu)時產生的。當焊接速度高于(yu)蒸發速度（vc≥vp）時，駝峰(feng)可被(bei)完(wan)全(quan)抑制。但在焊接速度較低(di)（vc<2 m/min）時，駝峰(feng)則無法完(wan)全(quan)避免。

(4)當熔體向下流動受阻(zu)時，駝(tuo)峰尺寸(cun)會(hui)迅速增大，固液(ye)界面上存在的(de)(de)階梯狀平臺(tai)是熔體受阻(zu)的(de)(de)原(yuan)因。提高(gao)激光功率(lv)有助(zhu)于改善熔化(hua)層的(de)(de)向下流動，減少固液(ye)界面的(de)(de)熱傳導（熔化(hua)層鉆孔效應）。因此，駝(tuo)峰的(de)(de)尺寸(cun)可(ke)以限制在可(ke)接受的(de)(de)范(fan)圍(wei)內。