01前言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光焊接技術(shù)以其高效、精確和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從航空航天到汽車(chē)制造，從電子設(shè)備到醫(yī)療器械。這一技術(shù)的核心在于激光與材料的相互作用，形成熔池并迅速凝固，從而實(shí)現(xiàn)金屬部件的連接。熔池作為激光焊接過(guò)程中的關(guān)鍵區(qū)域，其特性直接決定了焊接質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和最終性能。因此，深入理解和精確控制熔池特性對(duì)于提高激光焊接工藝水平、滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高質(zhì)量焊接接頭的需求具有至關(guān)重要的意義。

02熔池幾何形狀

熔池的幾何形狀是激光焊接研究中的一個(gè)重要方面，因?yàn)樗苯佑绊懞附舆^(guò)程中的熱傳遞、材料流動(dòng)和最終的焊接質(zhì)量。熔池的形狀通常由其深度、寬度、長(zhǎng)寬比、熱影響區(qū)（HAZ）幾何形狀、匙孔幾何形狀和熔化金屬區(qū)域（MMA）幾何形狀等參數(shù)來(lái)描述。這些參數(shù)不僅決定了焊接接頭的尺寸和形狀，還影響著焊接過(guò)程中的熱循環(huán)、冷卻速率和微觀結(jié)構(gòu)的形成。

表1.激光焊接參數(shù)對(duì)各熔池幾何參數(shù)的影響。

研究表明，激光功率和焊接速度是影響熔池幾何形狀的兩個(gè)主要工藝參數(shù)，如表1所示。一般來(lái)說(shuō)，隨著激光功率的增加和焊接速度的降低，熔池的深度會(huì)增大，而寬度的變化相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^高的激光功率能夠提供更多的能量，使材料更快地熔化和蒸發(fā)，從而形成更深的匙孔和熔池，如圖1所示。然而，當(dāng)激光功率過(guò)高或焊接速度過(guò)低時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)熱、蒸發(fā)過(guò)度，甚至產(chǎn)生等離子體屏蔽效應(yīng)，反而會(huì)降低焊接質(zhì)量。因此，在實(shí)際焊接過(guò)程中，需要根據(jù)具體的材料特性和焊接要求，合理選擇激光功率和焊接速度，以獲得理想的熔池幾何形狀。

圖1.激光熱傳導(dǎo)焊與激光深熔焊形成的不同焊縫形狀。

除了激光功率和焊接速度，材料的熱物理性能、表面狀態(tài)、保護(hù)氣體等因素也會(huì)對(duì)熔池幾何形狀產(chǎn)生影響。例如，材料的熱導(dǎo)率越高，熱量在材料中的傳遞越快，熔池的冷卻速率也越快，這可能會(huì)導(dǎo)致熔池的尺寸相對(duì)較小。而材料的表面粗糙度和清潔度則會(huì)影響激光的吸收率，進(jìn)而影響熔池的形成和穩(wěn)定。此外，保護(hù)氣體的種類(lèi)和流量也會(huì)對(duì)熔池的形狀和質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，合適的保護(hù)氣體可以有效地防止熔池受到氧化和污染，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)熔池的表面張力和流動(dòng)特性，從而改善焊接質(zhì)量。

圖2.激光擺動(dòng)時(shí)的熔池形狀。

通過(guò)改變激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡，激光擺動(dòng)可以顯著影響熔池的形狀和特性，如圖2所示。當(dāng)激光束進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，熔池的形狀會(huì)變得更加均勻和穩(wěn)定。擺動(dòng)激光束會(huì)在熔池表面形成一個(gè)更寬的加熱區(qū)域，使得熔池的邊緣更加平滑，減少了尖銳的邊緣和不規(guī)則的形狀。這種均勻的加熱方式有助于提高焊接接頭的質(zhì)量和力學(xué)性能，減少焊接缺陷，如裂紋和氣孔。此外，激光擺動(dòng)還可以增加熔池的流動(dòng)性，促進(jìn)熔池中的氣體和雜質(zhì)排出，進(jìn)一步提高焊接接頭的致密性和均勻性。

03熔池動(dòng)力學(xué)

熔池?zé)崃W(xué)是激光焊接研究中的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，它涉及到激光能量在熔池中的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程，以及由此引起的溫度場(chǎng)分布、冷卻速率和相變行為。熔池?zé)崃W(xué)特性不僅決定了熔池的形狀和尺寸，還直接影響焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

在激光焊接過(guò)程中，激光能量被材料吸收后，會(huì)在熔池中產(chǎn)生高溫區(qū)域，導(dǎo)致材料熔化和蒸發(fā)。同時(shí)，熱量會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方式從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，使熔池周?chē)牟牧蠝囟壬?，進(jìn)而影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。由于熔池的尺寸較小、溫度梯度大、冷卻速率快，直接測(cè)量熔池內(nèi)部的溫度場(chǎng)和冷卻速率非常困難。因此，大多數(shù)研究都是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法來(lái)研究熔池?zé)崃W(xué)特性。

在熔池?zé)崃W(xué)模型中，通常需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先是激光能量的吸收機(jī)制，包括材料表面的反射、吸收和透射特性，以及激光在材料內(nèi)部的散射和吸收過(guò)程。不同的材料和激光參數(shù)會(huì)導(dǎo)致不同的吸收率和能量分布，從而影響熔池的熱力學(xué)行為。其次是材料的熱物理性能，如比熱容、熱導(dǎo)率、密度等，這些參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化，對(duì)熱傳遞過(guò)程產(chǎn)生重要影響。此外，還需要考慮熔池中的流體流動(dòng)和相變過(guò)程，如熔化、蒸發(fā)和凝固等，這些過(guò)程會(huì)改變?nèi)鄢氐男螤詈蜏囟葓?chǎng)分布，同時(shí)也會(huì)影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研究者們發(fā)現(xiàn)，熔池中的溫度場(chǎng)分布通常呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，高溫區(qū)主要集中在激光作用區(qū)域和匙孔附近，而溫度逐漸降低到熔池邊緣和熱影響區(qū)。冷卻速率則隨著熔池尺寸的減小和距離激光作用區(qū)域的增加而增大，通常在熔池中心和匙孔區(qū)域的冷卻速率較低，而在熔池邊緣和熱影響區(qū)的冷卻速率較高，如圖2所示。這種非均勻的溫度場(chǎng)和冷卻速率分布會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，如晶粒尺寸、相組成和分布等，從而影響焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

圖3.不銹鋼板激光深熔焊接過(guò)程中鎖眼和熔池形成的模擬結(jié)果。

為了改善熔池?zé)崃W(xué)特性，提高焊接質(zhì)量和減少焊接缺陷，研究者們提出了一系列的優(yōu)化方法和措施。例如，通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)，如激光功率、焊接速度、光斑直徑等，可以改變激光能量的輸入方式和分布，從而優(yōu)化熔池的溫度場(chǎng)和冷卻速率。此外，還可以通過(guò)采用預(yù)熱、后熱、多道焊接等工藝方法，以及使用不同的保護(hù)氣體和焊接氣氛，來(lái)調(diào)節(jié)熔池的熱力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)演變。同時(shí)，開(kāi)發(fā)新型的焊接材料和合金體系，提高材料的熱穩(wěn)定性和焊接性能，也是改善熔池?zé)崃W(xué)特性的重要途徑之一。

04總結(jié)

激光焊接熔池特性是影響焊接質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，對(duì)熔池幾何形狀和熱力學(xué)特性的深入研究對(duì)于優(yōu)化激光焊接工藝、提高焊接效率和質(zhì)量具有重要意義。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，研究者們已經(jīng)取得了一系列重要的研究成果，為激光焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。然而，目前的研究仍然存在一些不足之處，如模型的簡(jiǎn)化和假設(shè)較多，對(duì)復(fù)雜工況下的熔池特性預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確；實(shí)驗(yàn)研究的系統(tǒng)性和全面性有待提高，缺乏對(duì)更多材料和焊接參數(shù)的深入研究等。

源自網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃宇