局部气流辅助下全穿透激光焊接中匙孔行为与飞溅形成的高速同步辐射X射线原位表征

推荐：针对高合金钢全穿透激光焊接在8 m/min以上速度时飞溅严重的问题，研究人员通过高速同步辐射X射线成像技术，结合局部气流调控，揭示了匙孔动态行为与飞溅形成机制。研究发现低流量(4.8 L/min)氩气流可减少顶部飞溅，而高流量(12.8 L/min)导致匙孔伸长和周期性振荡，直接关联焊瘤形成。该研究为高质高效焊接工艺优化提供了关键理论依据。

　　

在工业制造领域，高合金钢的全穿透激光焊接技术因其高效、精准的特点，被广泛应用于家电和汽车制造。然而当焊接速度超过8 m/min时，飞溅(spatter)问题成为制约工艺质量的瓶颈——这些飞溅不仅会附着在工件表面导致后续昂贵的返工，更会破坏材料的耐腐蚀性。尤其对于直径小于110 mm的连续焊接管材，内壁飞溅的清理更是业界难题。传统研究将焊接速度划分为多个区间（如"Rosenthal"、"单波(single wave)"和"伸长匙孔(elongated keyhole)"等不同模式），但关于气流与匙孔(keyhole)行为的相互作用机制，特别是底部飞溅的形成机理仍不明确。

为解决这一关键问题，来自德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所等机构的研究团队，创新性地采用高速同步辐射X射线成像技术，在12 m/min的典型焊接速度下，对AISI 304不锈钢进行原位观测。这项发表在《Optics》上的研究，首次完整揭示了局部气流对全穿透焊接过程中三维匙孔动态和飞溅形成的影响机制。

研究团队主要采用三大关键技术：1）配备可调环形模式光纤的COHERENT HighLight FL8000-ARM光纤激光系统（波长1070 nm），实现16%核心功率与84%环形功率的同心强度分布；2）专研设计的1.4 mm内径气体喷嘴，以48°倾角定向匙孔后壁，通过质量流量控制器精确调控氩气流速（4.8-12.8 L/min）；3）欧洲同步辐射装置ID19光束线的高能X射线成像系统（帧率40,000 fps，空间分辨率4 μm/像素），结合Lu₃
Al₅
O₁₂
闪烁体和Photron SA-Z高速相机，实现匙孔行为的亚毫秒级捕捉。

参考实验（无气流）
无气流时，飞溅主要从匙孔开口后方的熔池隆起(melt pool swelling)处脱离（位置1），这是由匙孔后壁向上熔流和环绕流动共同导致。底部飞溅则源于匙孔前壁的熔池隆起（位置2），由金属蒸气反冲压力引发的向下熔流形成。高速影像显示，部分飞溅因动能不足会被熔池重新吸收，这解释了为何底部飞溅附着较少。

4.8 L/min气流的影响
低流量气流使顶部匙孔长度缩短14%（从0.268 mm降至0.230 mm），这是熔池表面张力因缺氧环境增大的直接结果。根据Kaplan-Powell公式E_kin,fl
≥E_kin,sp
+E_sur
，增大的表面能E_sur
=2σS_sp
显著抑制了飞溅脱离。同时，匙孔前倾角从6.1°增大，导致底部新增飞溅源（位置3），但总飞溅量仍比无气流时减少67%。

12.8 L/min气流效应
高流量使顶部匙孔长度激增107%（达0.555 mm），这是气流动量传递抑制金属蒸气溢出的结果。快速傅里叶变换(FFT)分析发现匙孔以160 Hz频率振荡，与焊瘤形成频率166.66 Hz高度吻合。这种低频大幅振荡配合延长的熔池，使熔体被推过已凝固焊道形成周期性焊瘤(hump)。底部飞溅则完全转变为从前壁隆起的无定向喷射（位置3）。

这项研究建立了气流参数-匙孔行为-缺陷形成的定量关系模型：低流量（≤4.8 L/min）通过提高表面张力抑制飞溅，中等流量（6.4-9.6 L/min）引发"预焊瘤"状态，而高流量（≥12.8 L/min）则通过动量传递导致匙孔振荡和焊瘤。该成果不仅为激光焊接工艺优化提供了精确的调控窗口，其创新的原位观测方法更为材料加工领域的基础研究树立了新范式。特别值得注意的是，研究首次证实底部飞溅的形成独立于顶部过程，这对管材焊接等特殊应用场景具有重要指导价值。