《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Numerical investigation of keyhole dynamics, molten pool flow, and bubble evolution in oscillating laser welding of Ti–6Al–2Zr–1Mo–3
Nb alloy
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•键孔颈缩驱动直线焊接过程中的气泡脱离。•光束振荡将随机的键孔不稳定性转化为周期性响应。•之字形振荡通过横向键孔重新访问捕获气泡。•圆形振荡产生向上的流动带以重新捕获气泡。引言Ti80是一种近α钛合金，具有高比强度、良好的断裂韧性和耐腐蚀性，适用于航空航天、海洋工程和高性能车
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键孔颈缩驱动直线焊接过程中的气泡脱离。
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光束振荡将随机的键孔不稳定性转化为周期性响应。
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之字形振荡通过横向键孔重新访问捕获气泡。
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圆形振荡产生向上的流动带以重新捕获气泡。
引言
Ti80是一种近α钛合金，具有高比强度、良好的断裂韧性和耐腐蚀性，适用于航空航天、海洋工程和高性能车辆等领域的高要求结构应用[1], [2]。随着钛合金结构尺寸和几何复杂度的增加，整体锻造越来越受到零件尺寸、制造成本和生产灵活性的限制[3]。因此，焊接制造为大尺寸Ti80结构的制造提供了一条重要途径。高功率激光焊接具有高能量密度、窄热影响区、高处理速度和大的焊缝深宽比，非常适合中厚钛合金板材的连接[4]。然而，深熔激光焊接不可避免地伴随着强烈的键孔波动、高速熔体流动和蒸汽反冲压力的瞬态变化，这些都可能导致咬边、鱼鳞纹和气孔等缺陷[5]。这些缺陷会严重降低焊接接头的力学性能和使用可靠性[6]。因此，明确键孔动力学、熔池流动和键孔诱导气泡演化之间的耦合关系，对于理解Ti80合金高功率激光焊接过程中工艺气孔的成因具有重要意义。
大量实验研究探讨了钛合金激光焊接过程中的微观组织演变、接头性能和缺陷控制。Chen等人[7]研究了8毫米厚TC4板的激光焊接，发现熔合区主要由针状α′马氏体和柱状β晶粒组成。焊缝区的硬度明显高于母材和热影响区，突显了快速凝固对最终微观组织和力学性能的显著影响。Wang等人[8]研究了高温钛合金TC31的振荡激光焊接，获得了无未熔合、夹渣和热裂纹的健全接头。拉伸强度接近母材水平，呈现韧性断裂行为，同时光束振荡被报道可有效抑制气孔的形成。Kar等人[9]在Ti-6Al-4V激光焊接过程中应用光束振荡，观察到焊缝微观组织细化、接头均匀性改善，气孔显著减少，同时韧性和延展性均有提高。对于Ti80合金，Yang等人[10]表明高速电子束扫描改变了熔池流动和温度分布。流速幅度的降低以及流动方向的逆转消除了表面飞溅和内部气孔，而快速冷却速率使裂纹传播方向转向熔合区中高度取向的大角度晶界，从而显著改善了接头的冲击韧性。
尽管实验研究可以建立焊接参数与宏观焊接质量之间的关系，但传统高速成像通常仅限于对熔池表面的观察。原位X射线成像可以提供键孔和气泡内部演化信息；然而，高昂的设备成本以及同时实现高空间和时间分辨率的困难，使得常规解析键孔坍塌、气泡夹带、熔池再循环以及气泡滞留导致残余气孔形成等快速微观过程变得具有挑战性[11], [12]。相比之下，多物理场数值模拟可以同时获取演化的温度场、流场、键孔形态和气-液界面信息，为阐明焊接缺陷形成背后的物理机制提供了一种互补手段。
近年来，多物理场模型被广泛用于研究激光焊接过程中的熔池动力学和气孔形成。Wang等人[13]对TC4钛合金可调环形模式（ARM）激光焊接进行了数值研究，表明低芯环功率比和小离焦距离可集中热输入并增强熔池流动。这些变化通过改变熔池几何形状、熔透行为和表面形成来影响焊接质量，突显了反冲压力和马兰戈尼对流之间的耦合作用。Xia等人[14]模拟了双光束振荡双边同步焊接，发现光束振荡重新分布了激光能量密度，降低了熔池峰值温度，并减弱了熔体流动对键孔的扰动，从而降低了气泡形成的可能性。他们进一步报道，较大的激光入射角增加了有效热输入并增强了键孔效应。Ke等人[15]采用多物理场模型研究了不同振荡轨迹下键孔诱导气泡的形成和抑制。在相同振荡频率下，∞形轨迹比圆形振荡更有效地抑制气孔，在200?Hz时获得了无气孔焊缝。Lin等人[16]开发了铝合金远场激光焊接的三维瞬态模型，识别出一种特征性的三阶段流动模式，包括键孔前方的向下流动、键孔底部的转向流动以及键孔后方的大顺时针涡旋。后方涡旋被确定为气泡逃逸的主要阻碍因素，为线性焊接过程中气泡被输送至凝固前沿并保留为残余气孔的倾向提供了流体力学解释。Liao等人[17]进一步开发了铝合金振荡激光-电弧复合焊接（O-LAHW）的三维模型，并量化了圆形振荡对熔池的均化效应。与不振荡条件相比，焊接方向上的温度均匀性提高了约30%，而最大速度差降低了2.4倍。圆形振荡还在键孔周围产生了一个向熔池尾部传播为周期性脉动波纹的高速涡旋场，从而改变了熔池内的热流体耦合输运。然而，此前的数值研究主要关注键孔行为、熔池流动或气泡形成的单个方面，而对中厚钛合金高功率振荡激光焊接过程中这些过程的系统性耦合分析仍然有限。特别是，振荡轨迹如何改变三维键孔运动、由此产生的键孔动力学如何重新组织周围熔池流动，以及这些耦合变化随后如何控制键孔诱导气泡的迁移、滞留、逃逸和重新捕获，仍不清楚。
为弥补这一空白，本研究开发了三维瞬态多物理场模型，用于研究5毫米厚Ti80合金高功率激光焊接过程中键孔动力学、熔池流动和键孔诱导气泡的耦合演化。首先考察了涵盖部分熔透到全熔透范围的三种直线焊接条件，以确定熔透状态与键孔不稳定性、熔池再循环以及气泡生成和滞留之间的关联。然后分析了两条振荡轨迹——之字形和圆形——下的两种振荡条件，以确定轨迹控制的键孔运动如何重新组织周围流场并改变已脱离气泡的后续命运。特别关注从不规则键孔颈缩和气泡滞留到周期性键孔重新访问和气泡重新捕获的转变，以及之字形和圆形轨迹对应的不同重新捕获机制。尽管实验和模型验证是使用Ti–6Al–2Zr–1Mo–3?Nb合金进行的，但光束轨迹、键孔运动、熔池流动重新分布和气泡重新访问之间的内在耦合源自键孔模式激光焊接中常见的热流体过程，而非Ti80特有的机制。然而，其定量表现取决于材料的热物性、板材厚度、激光参数和振荡条件。
章节摘要
材料
本研究使用的材料为由洛阳船舶材料研究所提供的Ti80合金，名义成分为Ti–6Al–2Zr–1Mo–3?Nb。板材厚度为5?毫米，尺寸为300?毫米 × 300?毫米，详细化学成分见表1。焊接前对接边进行铣削和清洁处理，以确保紧密对接且无有意设计的根部间隙。
实验装置
焊接实验使用一台IPG YLS-30000光纤激光器进行，最大输出功率为30?kW，
数值模型的实验验证
为评估数值模型对Ti80合金高功率激光焊接的预测能力，在两个互补层面进行了实验验证：熔池表面瞬态形貌和最终焊缝横截面。表面验证通过将高速成像捕获的熔池开口与相应的模拟自由面形貌进行比较来进行，从而评估模型重现瞬态表面
结论
本研究考察了不同激光焊接条件下Ti80合金键孔动力学、熔池流动和键孔诱导气泡的耦合演化。主要结论如下：
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光束轨迹强烈影响热输入的空间分布及由此产生的键孔几何形状。在直线焊接条件下，将激光功率从5500增加到6500?W主要增加键孔深度，而平均开口面积仅从5.00变化到5.13?mm2，
CRediT作者贡献声明
张攀：资源、方法、调查。陆小洋：资源、概念化。高超梅：验证、监督、方法。王春明：可视化、资源、概念化。吴思伦：验证、调查、形式化分析。侯亚豪：写作——初稿、方法、调查。严飞：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、调查、资金获取。
利益冲突声明
我们声明，我们与其他人或组织之间不存在可能不当影响我们工作的财务和个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：52375377）和湖北省自然科学基金（批准号：2026AFC0115和批准号：2026AFB195）的资助。
严飞|侯亚豪|吴思伦|王春明|高超梅|陆小洋|张攀
