極窄小孔的穩定性仍然是20kW或更高級別激光焊接的最大挑戰。本文研究了小孔失穩的根本原因，包括褶皺結構引起的熱失穩和蒸汽引起的動(dòng)態(tài)失穩。建立了多相流模型，結合高效的自由表面重構算法和高精度的皺紋面結構觀(guān)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，小孔前壁上存在的褶皺結構(駝峰)可以顯著(zhù)調節小孔的能量分布，改變小孔的受力狀況。駝峰分布異常引起的能量積累過(guò)大是導致小孔孔壁波動(dòng)不穩定的原因。通過(guò)提高焊接速度，抑制了激光與小孔開(kāi)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(guò)增大激光功率，避免了固-液界面的打孔效應，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節的皺紋控制優(yōu)化策略。實(shí)驗結果表明，優(yōu)化后的皺紋面結構顯著(zhù)提高了小孔的穩定性。

方法

實(shí)驗采用的是連續波光纖激光器(IPG YLS-30000)，其光束參數為：最大激光功率30kW，波長(cháng)～1070 nm，纖芯600mrad m，光頭F180/F470，瑞利長(cháng)度31.47 mm，光束參數乘積22.8 mm×μ。工藝參數如表1所示。母材為30 mm厚的SU316L鋼板?；瘜W(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。采用氣體保護氣體側向供氣，流量1.5m~3/h，將透明石英玻璃(GG17)與現場(chǎng)觀(guān)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(Phantom V611)觀(guān)察小孔和熔池輪廓。使用最大功率為30W的半導體激光器(808 Nm)照射觀(guān)察區。在相機鏡頭上組裝了一個(gè)透射帶為808 nm的帶通濾光片，以濾除周?chē)墓饩€(xiàn)。

為了研究激光深熔焊接過(guò)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(xiàn)性插值法的快速自由曲面重建方法(TRI-MC)[21]，用于計算皺紋結構的幾何信息。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。為了降低計算成本，對以下過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化：假設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(guò)程中忽略了保護氣體的沖擊。

表面張力的計算公式為：

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

圖1(A)中顯示了計算領(lǐng)域的圖形說(shuō)明。計算域的大小設置為20 mm×2 mm×25 mm。計算域劃分為1.25億個(gè)邊長(cháng)為0.02 mm的六面體網(wǎng)格。在初始狀態(tài)下，將厚度為20 mm的下部設置為工件層(階段2)，將厚度為5 mm的上部設置為環(huán)境空氣層(階段1)。前壁(Y=0)被設置為對稱(chēng)邊界條件，頂面(Z=25 mm)被設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(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)自定義函數(UDF)實(shí)現光線(xiàn)跟蹤過(guò)程。圖1(B)顯示了光線(xiàn)追蹤過(guò)程的驗證案例，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(zhù)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。表3列出了模擬中使用的物理特性。

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

主要結論

(1)根據鑰匙孔半徑（r）和局部蒸汽噴射流特征長(cháng)度（lv）的比值，后鑰匙孔壁可能受到兩種支撐力的支撐。當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)穩定狀態(tài)。當r/lv>1時(shí)，鎖孔受蒸汽靜壓的作用，處于臨界穩定狀態(tài)。在動(dòng)態(tài)穩定狀態(tài)下，匙孔具有更強的抗干擾能力（匙孔半徑波動(dòng)）。通過(guò)將吸收的激光強度調整到0.2至0.5 MW/cm2的范圍內，可將鎖孔控制在動(dòng)態(tài)穩定狀態(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(zhù)駝峰尺寸的增大，吸收的激光強度可能會(huì )在幾個(gè)駝峰上過(guò)度集中（>0.5 MW/cm2），從而導致匙孔劇烈波動(dòng)。抑制大尺寸駝峰的產(chǎn)生是調節能量分布、提高焊接過(guò)程穩定性的主要手段。

(3)駝峰是在激光束與鑰匙孔開(kāi)口間歇接觸時(shí)產(chǎn)生的。當焊接速度高于蒸發(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(wú)法完全避免。

(4)當熔體向下流動(dòng)受阻時(shí)，駝峰尺寸會(huì )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（熔化層鉆孔效應）。因此，駝峰的尺寸可以限制在可接受的范圍內。