采用可调环模式激光进行高强度钢板窄间隙填丝焊接时抑制熔合不足的机制

《Journal of Materials Processing Technology》：Mechanisms of Suppressing Lack-of-Fusion in Narrow-Gap Wire-Filled Welding of High-Strength Steel Plate with an Adjustable-Ring-Mode Laser

激光窄间隙熔丝填充焊接中，通过可调环模激光能量比例调控熔池流动行为，研究揭示了熔丝熔化过程、滴落转移特性与熔池动态演变的三维耦合机制。热力学分析与CFD模拟表明，核心光束与环状光束的能量分配直接影响熔池温度梯度分布，进而调控马氏锥效应与侧壁对流，最终实现未熔合缺陷的抑制。高速摄像与三维CT验证了熔池宽度-深度比与侧壁温度梯度的优化阈值。

　　

胡琦|孙俊浩|吴东升|陈晓辉|李祖国

上海交通大学材料科学与工程学院材料激光加工与改性重点实验室，上海，200240，中国

摘要

熔合不足缺陷是丝材填充焊接中普遍存在且关键的挑战，严重影响了接头的机械性能和服务可靠性。为了解决这个问题，本研究采用可调环模式激光焊接方法，系统地研究了在不同激光能量比下的丝材熔化过程、熔滴传输行为和熔池动态演变。阐明了环模式激光在窄间隙配置中抑制侧壁熔合不足的机制，并据此确定了最佳激光能量分配方案。此外，还进行了热力学计算以表征丝材熔化和金属传输过程。热计算表明，实时激光-丝材距离可以作为丝材熔化状态的半定量指标，而蒸汽羽流的速度和空间分布则决定了熔融金属传输的动态行为。基于能量分配的计算流体动力学模拟进一步表明，环模式激光在熔池内诱导出独特的横向流动模式。这种独特的流动行为源于熔池中心的温度梯度减小，从而减弱了纵向马兰戈尼对流。值得注意的是，合理的激光能量分配稳定了熔池热演变和丝材熔化的耦合过程，促进了有利的流场调节，从而抑制了熔合不足缺陷。这项工作不仅阐明了在受控熔池流动条件下熔合不足缺陷的形成和抑制机制，还为混合激光热源的多物理耦合过程提供了基本见解。

引言

厚板高强度钢结构是现代高端设备中的关键部件，在核电[1]、海洋工程[2]和石油化工加工[3]等众多工业领域都有广泛应用。在厚板材料连接中，激光焊接由于其独特的优势（包括热影响区窄、热输入低和焊接面积小[4]）而便于高端厚板设备的精密制造。在迄今为止报道的激光焊接技术中，窄间隙激光丝材填充焊接因其卓越的过程稳定性和广泛的参数容忍窗口[5]而成为厚截面激光焊接的关键技术。然而，窄间隙激光丝材填充焊接过程仍然面临一个关键挑战，即容易产生熔合不足缺陷，这是由于沟槽侧壁施加的热[6]、[7]、机械[8]、[9]和几何[10]约束所引起的。这些缺陷通常出现在焊缝界面或相邻焊道之间[11]。这些缺陷不仅降低了焊缝接头的机械强度，还可能在长期使用过程中引发灾难性事故。值得注意的是，熔合不足缺陷不仅限于激光丝材送进焊接。在各种电弧和激光基工艺中也有类似的报道，包括电弧焊接[12]、[13]、激光-电弧混合焊接[14]、[15]、丝材-电弧增材制造[16]和激光丝材直接能量沉积[17]，尤其是在熔池粘度高、固化速度快或能量输入不足的情况下。这表明熔合不足是丝材熔化过程中的普遍现象，其机制与熔融金属在受限空间内的热量和质量传输行为密切相关。

目前，专注于工艺参数优化的研究表明，通过调整丝材送进速度与焊接移动速度的比例[10]、优化丝材定位[18]、扩大热源覆盖范围[6]和增加热输入[19]，可以有效减轻熔合不足缺陷。熔合不足的缓解可以通过两种机制来理解：（1）稳定熔融金属传输，以确保多层沉积时的高质量焊道表面，从而有效抑制熔合不足的形成；（2）优化热源，以控制熔池尺寸和形态，从而减轻由空间限制引起的熔合不足缺陷。基于这些原理，可以通过空间几何优化[11]、[20]、动态丝材振荡增强熔合[21]和热丝辅助改善热条件[22]来实现熔合不足的减少。然而，目前的理解主要来自实验观察和热分析。对于导致这种结果的填充金属流动行为的理解仍然不足，这给理解不同工艺下熔合不足缺陷的形成过程带来了困难。

此外，具有空间能量分配调节能力的技术方法，如激光振荡和混合热源，也可以通过精确控制和分配热输入[23]、[24]来有效抑制熔合不足缺陷。与工艺参数优化方法相比，这些基于能量分配的调节策略在工业生产中的多参数自动化控制系统兼容性方面表现出更好的潜力。这使得在实现最有效热输入的同时消除了熔合不足缺陷，从而保留了激光焊接的固有优势，如焊接宽度窄和变形小。

此外，可调环模式激光作为一种新型混合热源，能够独立调节核心光束和环状光束的功率，从而满足不同的应用需求[25]。可调环模式激光最初是为稳定深穿透焊接中的keyhole动态而开发的[26]。然而，在以传导模式为主的丝材填充过程中[27]，这种可调环模式激光展示了抑制熔合不足缺陷的额外潜力机制：（1）扩大热源作用区域，有助于增加焊池的宽深比，从而实现充分熔合[28]；（2）稳定金属蒸汽羽流，从而提高焊接过程的稳定性并改善焊缝表面质量[29]；（3）减小焊池中心区域的温度梯度，同时增加两侧的温度梯度，从而促进熔池向沟槽侧壁的流动[30]、[31]。尽管已经展示了其潜力，但在丝材熔化过程中的实际热机械行为以及使用这种可控能量分配方法抑制熔合不足的机制仍需进一步研究。

因此，本研究采用可调环模式激光窄间隙丝材填充焊接作为案例，研究了在不同能量分布下熔合不足缺陷的形成和抑制机制。采用基于热模型的计算方法来研究填充丝材的加热和熔化行为。实际的丝材位置是确定丝材熔化状态的关键指标。随后，利用高速摄影来表征焊接过程中的熔融金属传输动态和蒸汽羽流行为，从而基于成像结果开发了一个半定量力模型。该模型为预测不同能量分布下的填充丝材传输行为提供了指导。最后，基于填充丝材与熔池之间的能量分配，开发了丝材填充焊接过程的计算流体动力学模拟。它不仅预测了不同能量分布下的熔池流动行为，还阐明了其在熔合不足缺陷形成和抑制中的关键作用。

材料与设备

本研究中使用的实验基材是10CrNi3MoV低合金高强度钢，填充丝材材料为直径为1.2毫米的WM960S。基材和填充材料的元素组成见表1。实验板的尺寸为110毫米×100毫米×15毫米（长×宽×高），具有5毫米深的沟槽，沟槽根部间隙为3.4毫米，沟槽角度为6°，如图1所示。焊接前，基板和沟槽表面经过打磨以去除

激光能量比例对焊缝形成的影响

激光窄间隙丝材填充焊接按照表2中显示的工艺参数进行，结果如图7所示。图7a展示了不同激光能量分布比（λ）下的横截面金相结果，而图7(b)-(d)显示了在不同λ比率下的焊缝金属面积、宽度和深度。为了进一步评估内部焊缝质量，使用3D CT图像分析了典型能量比率（λ=1.0、0.6、0）下的接头，结果如图7所示

受热分布控制的丝材熔化行为

如滴滴传输分析（图10）所示，丝材熔化过程在熔合不足缺陷的形成中起着决定性作用。在之前的研究[42]、[43]中，丝材与激光之间的相对位置通常被视为一个固定的初始工艺参数，它决定了熔化高度，从而影响传输和流动行为。然而，这种方法对于可调环模式激光来说是不够的。

结论

本研究建立了一个新的丝材送进模型，用于模拟丝材引导激光焊接中的液桥过渡和熔池流动行为，特别关注可调环模式激光与熔融动态的相互作用机制。通过高速成像的支持，进行了功率比参数研究，系统地阐明了可调环模式光束在窄间隙丝材填充焊接中的作用——从丝材熔化到熔池流动。

CRediT作者贡献声明

孙俊浩：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。吴东升：撰写 – 审稿与编辑，方法学，资金获取。胡琦：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法学，研究，概念化。李祖国：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。陈晓辉：方法学，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。