基于重初始化水平集（RLS）框架的激光焊接区域熔池动力学与飞溅累积间接数值评估

《Journal of Manufacturing Processes》：Indirect numerical assessment of spatter accumulation in laser welding based on a reinitialized level set framework

　　

理解区域熔池动力学（regional melt pool dynamics）与飞溅生成（spatter generation）之间的对应关系，对于解释激光焊接行为具有重要意义。本研究提出一种将重初始化水平集（reinitialized level set, RLS）模型与实验观察相结合的方法，以考察飞溅累积（spatter accumulation）的区域数值代理量（regional numerical proxies）。金属相体积（metal phase volume）、金属相动能（metal phase kinetic energy）与界面活动（interfacial activity）三种互补代理量通过空间积分直接提取，无需额外时间累积。研究考察五种兴趣区域（region of interest, ROI）构型，以区分尺寸、位置和形状的影响；三种激光功率则用于比较不同能量输入。模拟重现了实验中观察到的焊缝宽度随功率增加而增大的现象。ROI选择影响代理量幅值，而主要时间趋势得以保留，包括动能和界面活动的增加。实验飞溅呈间歇性发生，但累计计数（cumulative counts）随功率一致增加。比较表明，动能和界面代理量的总体增加与实验观察到的累计飞溅计数增长一致。累计指标（cumulative indicators）通过保留区域量的连续变化提供补充描述。这些结果提示区域熔池动力学与实验飞溅累积之间存在初步关联，支持间接飞溅描述符（indirect spatter descriptors）的进一步发展和评估。作为概念验证，本研究提供了一个框架，通过区域熔池量考察总体飞溅累积，而无需显式解析单个液滴脱附（individual droplet detachment）。

激光焊接因高能量密度、深熔透和良好过程可控性在汽车、航空航天和能源领域应用广泛，但飞溅生成限制焊缝质量和过程稳定性，造成材料损失、表面污染和光学部件损伤。高速成像实验常用累计飞溅事件数表征飞溅，但实验对驱动飞溅的瞬态熔池动力学和自由表面不稳定性认识有限；高保真多物理场模拟可重现熔池对流、自由表面变形甚至显式飞溅，却需高分辨率解析匙孔、相变、反冲压力和界面。飞溅机制随条件变化：低能量或传导模式下主要与自由表面波动、毛细不稳定及表面张力和Marangoni效应驱动熔流有关；热输入或速度增加时更强熔流扰动和非对称变形可能增强液态金属喷出；匙孔模式下反冲压力波动、匙孔壁不稳定、羽流相互作用和匙孔塌陷成为主导；熔池状态转变会改变主导不稳定性。工程上需要兼顾物理保真与计算效率、快速评估过程趋势的方法，而非详尽解析每个微尺度事件。直接数值评估飞溅需解析液滴脱附、破碎和输运，时空分辨率要求极高，因此需要从已有熔池模拟提取不稳定性相关指标的高效框架。Tianqiu Xu 与 Ali G?khan Demir 开展研究：将三维重初始化水平集（RLS）模型与重复激光焊接实验结合，提出不显式解析单个液滴脱附的间接飞溅表征方法，考察金属相体积、动能和界面活动三个区域代理量，并用五种ROI构型区分尺寸、位置和形状影响，三种功率和每功率两次独立实验比较时间演化和功率依赖。研究定位为所考察条件下的概念验证，为未来飞溅描述符发展和实验评估提供方法基础，重点关注区域金属运动和界面演化。

方法上，采用连续两相不可压缩流动与传热模型，RLS隐式追踪气-金属自由表面，并在COMSOL Multiphysics中通过偏微分方程二次开发实现RLS方程；引入温度相关物性，移动高斯热源经界面平滑控制函数施加，表观热容法处理相变潜热，边界考虑对流、辐射、Marangoni应力、表面张力和反冲压力，四面体网格局部细化。实验采用1070 nm光纤激光（YLS-2000/4000-SM-AMB，IPG Photonics），AISI 316不锈钢板厚2 mm，焊接速度200 mm/s，功率1、1.5、2 kW，每功率两次独立实验S1和S2，高速摄像侧向记录0–100 ms并手动识别飞溅。

4.1 物理场与几何比较：通过模拟不同功率温度与速度场并与实验焊缝几何比较，发现功率增大使加热区增宽、匙孔加深和局部流动增强；实验与模拟焊缝宽度均随功率增加，模型在1 kW略高估、1.5和2 kW低估，宽度相对误差10.7%–16.3%，但在所研究范围内重现了几何趋势。

4.2 实验中的飞溅累积：通过两个重复实验的累计计数和1 ms增量分析，100 ms时S1/S2累计计数在1 kW为10和11、1.5 kW为16和18、2 kW为23和20，均值10.5、17.0、21.5，2 kW约为1 kW两倍；ΔN峰的时间和幅值在重复间不同，显示飞溅间歇性和随机性，累计计数成为比较总体飞溅行为的主要实验基础。

4.3 基于ROI的代理量时间演化：通过五种ROI配置提取S_V(t)、S_K(t)和S_A(t)，发现S_V逐渐下降而S_K与S_A总体增加，且主要趋势在各ROI保留；S_V下降与空腔发展和金属再分布一致，S_K增长表示区域金属相运动增强，S_A增长表示气-金属界面发展。模拟末ROI0在2 kW的S_K和S_A约为1 kW的2.75和1.27倍，S_K对功率更敏感。ROI1缩小尺寸降低所有代理幅值（体积为ROI0的51.2%）但保留趋势；ROI2前移提高S_K和S_A，ROI3下移降低，ROI4圆柱与ROI0接近；位置影响较形状更明显。

4.4 区域代理量及累计指标与实验飞溅行为的比较：通过将ROI0直接代理量与0–45 ms实验累计飞溅比较，S_K和S_A总体增加趋势与实验累计计数增长一致，但不重现阶梯式历史；由相邻样本绝对变化求和定义的SPI_V、SPI_K、SPI_A为非减指标，随功率增大，ROI2一般最高，ROI0与ROI4接近，ROI3较低，ROI1最低；45 ms最终SPI随功率增加并与同区间实验累计飞溅增加相伴，提供区域熔池量与飞溅累积初步关联的补充证据。

讨论部分强调，直接代理量描述某一时刻区域状态，累计指标描述自分析开始以来的总变化；由于累计指标非减，其增长本身不能建立与飞溅的对应，故比较重点在时间发展和不同功率差异。S_K与S_A的总体增加与实验累计飞溅计数增长一致，SPI提供补充视角；这些结果仅为所研究条件下的初步关联证据，支持间接飞溅描述符的进一步发展和实验评估。研究结论部分翻译：作为概念验证，该研究提出通过中保真RLS模型提取区域量来间接表征飞溅的方法，在1、1.5和2 kW及五种ROI配置下评估金属相体积、动能和界面活动，并将直接与累计表示同实验飞溅累积比较。主要发现为：模拟焊缝宽度随功率增加与实验观察一致，支持所研究范围内的几何趋势描述；代理量时间响应不同，S_V总体下降而S_K和S_A总体上升，模拟末ROI0在2 kW的S_K和S_A约为1 kW的2.75和1.27倍，表明区域运动与界面演化对功率变化响应不同；五种ROI比较区分尺寸、位置和形状效应，缩小区域降低代理幅值，平移区域改变采样的动能和界面贡献，圆柱替代参考长方体差异较小，所有配置保留主要时间趋势但幅值和局部变化依赖ROI选择；S_K和S_A与实验飞溅累积呈整体增加趋势，累计SPI指标补充描述演化区域量，这些观察提供区域熔池动力学与飞溅累积关联的初步证据，支持进一步评估这些量作为间接飞溅描述符。贡献在于利用区域熔池量在固有随机过程中寻找有意义模式并评估其与实验飞溅累积的潜在联系；作为探索性概念验证，该方法为不显式解析单个液滴脱附而研究区域动力学与实验飞溅累积联系奠定基础。未来工作将扩展到更广加工条件、改进描述符空间选择和物理表述，并考察其支持过程评估和参数选择的潜力。