关于T2铜材料在环形模式激光螺旋扫描焊接过程中飞溅形成机制及其抑制方法的数值与实验研究

《Optics & Laser Technology》：Numerical and experimental study on spatter formation mechanisms and suppression method during ring-mode laser spiral scanning welding of T2 copper

　　

吴文迪|姜萍|耿少宁|韩楚|舒乐诗|王一琳

摘要

环形模式激光螺旋扫描焊接（RMLSSW）是一种用于新能源系统中薄壁组件无飞溅制造的创新技术。然而，RMLSSW的无飞溅工艺窗口目前仍主要基于经验数据。本研究结合实验和仿真，阐明了时空能量分布如何影响飞溅的产生与抑制机制。RMLSSW中的飞溅形成主要是由于预热不足导致的吸收率剧烈波动，这些波动会产生强烈的温度梯度和横向熔池涡流，从而破坏熔孔结构，最终引发熔孔边缘的剧烈蒸发并导致飞溅产生。研究发现，环形模式激光的功率（P_r）和螺旋扫描的间距（d）是实现飞溅抑制的关键参数。仿真结果表明，提高P_r或减小d可以提升基材温度和激光吸收率，扩大熔池尺寸，稳定熔池周围的熔融物质流动，从而降低飞溅发生的概率。增强的反冲压力会扩大熔孔尺寸，提高其深度与直径的比值及体积，进而抑制由熔孔随机塌陷引起的飞溅。本研究提出了一个最佳预热工艺窗口：P_r = 2000–2400 W，d = 0.55–0.70 mm，在该窗口内激光与材料的耦合效果最佳，飞溅现象最小。该研究为实现高反射率薄壁材料的无飞溅、高质量激光焊接提供了可推广的理论基础和明确的优化标准。