本文来源自公众号：激光制造研究
Optics &Laser Technology｜5.1｜中科院2区Top｜ Q1｜
导读
激光焊接过程中小孔诱导气孔会显著降低焊缝质量与服役寿命。为解决该问题，本研究提出一种多焦点激光束能量调控策略，通过控制焦点数量、间距和能量分配比等关键光束参数以降低焊缝气孔率。基于克里金模型与遗传算法融合方法，建立了激光能量分布-工艺参数-气孔率的定量映射关系，据此构建低气孔工艺窗口，并成功获得不同能量分布条件下气孔率低于1%的优化工艺方案。数值模拟进一步揭示：在小孔壁前后两侧熔池中形成的两股近似对称的流场涡环，对有效抑制气孔形成具有关键作用，同时明确了主导气孔形成的核心物理参量。基于白金汉π定理，构建了无量纲气孔倾向指数Πp，并确定当Πp=1.1时可有效捕捉气孔率超过1%的萌生阈值。本研究提出了一种创新的光束调控策略以抑制铝合金激光焊接气孔，并建立了可推广的优化框架，为不同材料的工艺设计与质量控制提供理论指导。
主要图表
图1. 激光焊接实验示意图及激光能量分布图。(a) 激光焊接示意图；(b) 单束激光能量传输与密度分布；(c) 双束配置能量传输与密度分布：（c1）功率比为1:1的芯环激光束能量密度分布；（c2）和（c3）分别为功率比为7:3和1:1的芯环多焦点激光束能量密度分布。虚线框标注：左侧对应环形光束能量密度分布，右侧对应芯部光束能量密度分布。
图2. 模拟与激光能量密度分布示意图。(a) 模拟示意图；(b) 二维激光束能量密度分布；(c) 三维激光束能量密度分布。
图3. 数值模型验证。(a) 实验结果。（a1）–（a4）：四种能量分布下的截面焊缝形态：单激光束、功率比1:1的芯环激光、功率比7:3的芯环多焦点激光束、以及功率比1:1的芯环多焦点激光束。(b)和(c) 数值模拟结果。（b1）–（b4）：模拟对应的焊缝宽度；（c1）–（c4）：模拟对应的熔深。
图4.四种能量分布下焊缝的纵向截面。（a1）-（a4）单激光束；（b1）-（b4）功率比为1:1的芯环激光束；（c1）-（c4）功率比为7:3的芯环多焦点激光束；（d1）-（d4）功率比为1:1的芯环多焦点激光束。
图5.四种能量分布下焊缝纵向截面的孔隙率统计。(a)单激光束；(b)功率比为1:1的芯环激光束；(c)功率比为7:3的芯环多焦点激光束；(d)功率比为1:1的芯环多焦点激光束。
图6. 孔隙率与功率密度(a)及体积能量密度(b)的变异关系。
图7. 优化流程示意图。
图8. 工艺参数与孔隙率的映射关系。(a) 单激光束：（a1）P-v与孔隙率，（a2）P- α 与孔隙率，（a3）v- α 与孔隙率。(b) 核环式激光束功率比1:1：（b1）P-v与孔隙率，（b2）P- α 与孔隙率，（b3）v- α 与孔隙率。(c) 核环式多焦点激光束功率比7:3：（c1）P-v与孔隙率，（c2）P- α 与孔隙率，（c3）v- α 与孔隙率。(d) 核环式多焦点激光束功率比1:1：（d1）P-v与孔隙率，（d2）P- α 与孔隙率，（d3）v- α 与孔隙率。
图9. Kriging模型预测结果的验证.
图10. 优化实验与预测结果对比。（a1）-（a4）分别展示了单激光束、功率比为1:1的芯环激光束、功率比为7:3的芯环多焦点激光束以及功率比为1:1的芯环多焦点激光束能量分布优化参数的横截面与纵截面实验结果。(b) 预测值与实验值孔隙率对比。分布图1-4对应(a)中的光束配置，预测值以藏红花色标示，实验值以蓝色标示。
图11. 工艺窗口示意图。(a) 单激光束；(b) 核环激光束功率比为1:1；(c) 核环多焦点激光束功率比为7:3；(d) 核环多焦点激光束功率比为1:1。绿色虚线表示1%孔隙率等值线，绿色星号标示图10中获得的最佳激光工艺参数对应的焊缝孔隙率。
图12. 核环多焦点激光束在1:1功率比（表3参数设置4号）下最佳激光参数焊接过程的温度场与流场分布图。(A) 焊接区域Y轴中心截面；(B) Y轴中心平面流场；(C) 键孔中心X平面流场。(a) 2毫秒内Y轴中心温度场；(b) (a)中各时间步的Y轴中心流场；(c) (b)中各时间步的键孔中心X平面流场。
图13. 气泡周围温度与流场分析。(a) 1.4毫秒内的温度场；(b) 对应的流场；(c) (b)中虚线框区域的放大视图；(d) 气泡投影面积与周长；(e) 时间变化的平均X和Z方向速度。
图14. 数值模拟中键孔深度与熔池深度随时间变化曲线。(a) 单激光束；(b) 功率比为1:1的芯环激光束；(c) 功率比为7:3的芯环多焦点激光束；(d) 功率比为1:1的芯环多焦点激光束。
图15. 物理场云图。(a) 从键孔逃逸的气泡温度场。(b) 被凝固前沿捕获的气泡温度场。(c) (b)中的速度场。注意，(a)中数值模型的工艺参数：P = 6085.3 W，v = 14.34 mm/s， α = 3.34◦（功率比为1:1的芯环多焦点激光束）；(b)和(c)中：P = 6000 W，v = 15 mm/s， α = 5◦（单激光束）。
图16.采用无量纲隆起指数（Πp）进行孔隙率阈值分析。(a)无量纲孔隙率倾向指数 Πp 的计算。P-v- Πp 的关系：(b)r=0.2mm；(c)r=0.6mm。注：图(a)中水平坐标轴所示的焊接工艺参数见表4。
主要结论
本研究以8mm厚铝合金板材为对象，分别采用单光束、等功率芯环光束以及功率比为7:3和1:1的芯环多焦点光束四种能量分布模式进行激光焊接研究。通过克里金模型与遗传算法相结合的方法，对焊缝气孔率进行预测与优化，确定了各能量分布下的最佳工艺参数。同时，基于气孔形成机理识别了影响气孔行为的关键物理参数，并建立了气孔敏感性指数。主要结论如下：
（1）在四种能量分布模式中，功率比为1:1的芯环多焦点激光束对抑制气孔的效果最为显著。在该能量分布下，50%的焊缝纵截面气孔率低于2%。较低的焊接速度（<30 mm/s）与约5°的激光倾斜角更有利于获得低气孔焊缝。
（2）结合遗传算法的高精度克里金模型成功建立了激光工艺参数与焊缝气孔率的映射关系。针对所有能量分布模式均获得了气孔率低于1%的最佳工艺参数，其中最低气孔率可达0.19%。
（3）优化后的激光参数通过在小孔前后壁诱导形成两股近似对称的流动涡环，改变小孔坍塌位置并降低气泡横向运动速度，从而有效抑制气孔形成，为气泡从小孔逃逸提供了最佳物理条件。
（4）明确了导致小孔型气孔的关键物理参数，包括小孔下部直径及其波动频率、熔池Z方向最大流速、熔池冷却速率以及气泡上浮速度。
（5）基于白金汉π定理构建了无量纲气孔倾向指数Πp，用于表征激光焊接过程中的气孔敏感性。该指数可根据工艺参数与材料特性定量描述气孔形成趋势。对应1%焊缝气孔率的Πp阈值确定为1.1。此外，P–v–Πp关系图表明，较低的焊接速度和较大的光斑尺寸有助于实现更稳定的焊接过程，从而获得无气孔或极低气孔的高质量焊缝。
