本文来源自公众号：激光制造研究
导读
可调环模激光焊接(ARM-LW)为减少中厚铝合金接头气孔提供了一种新的方法。然而，降低环形模激光器气孔率的抑制机理和优化策略仍不清楚。采用实验和模拟相结合的方法来缩小差距。结果表明，与传统的高斯激光焊接相比，环模激光有效地减缓了气孔随熔深的增加而增加的趋势。气孔的形成包括由小孔不稳定引起的气泡的产生和气泡被凝固前沿捕获。随着环形功率份额的增加，小孔开口变宽和变得更稳定，从而增强了小孔壁面的能量吸收，特别是在底部和中间部分。这提高了小孔的稳定性，并减少了小孔坍塌引起的气泡的形成。此外，随着环功率份额的增加，-X速度的下降63.2%表明气泡在远离小孔底部的速度变慢，增加了气泡被小孔捕获并最终消失的可能性；然而，如果+Z速度下降52.4%，如果不被小孔捕获，气泡被凝固前沿捕获的可能性增加。最后，对如何减少ARM-LW过程中的孔隙率进行了全面的讨论和分析。提出了以穿透与光斑直径之比(PDR)最小的准则来指导环形功率份额的选择。对小孔波动和气泡演化机理的深入研究对减少铝合金中厚板激光焊接气孔具有一定的指导意义。
方法
采用实验和仿真相结合的方法，实现了研究目标。首先对主要参数(如激光功率、激光速度和芯环功率比)对焊缝气孔和熔深的影响进行了实验研究。在此基础上，建立了孔洞与小孔/熔池动力学之间的CFD模型。
图1(A)显示了铝合金接头的ARM-LW示意图。采用nLight的CFX-8000W可编程光纤激光器。它的最大总功率为8kW，芯层厚度为0.1 mm，波长为1070 nm。纤芯高斯光束和环形模激光器的功率可以按比例调节。ISO 11146-1：2021(EN)标准使用二阶矩定义来定义任意光束形状的等效光束直径。不同芯环功率比下的EBD如图1(B)所示。图1(C)显示了具有代表性点环功率份额的焦点处的测量能量分布。光斑放大率(M)计算如下。
其中，MCol表示准直因子，MFocus表示聚焦模块的成像比，它们的值分别为1.75和1.5。
为了研究环模激光对孔隙率和穿透深度的影响，研究了不同的激光功率、环功率份额和速度，如表1所示。当芯/环功率比为6：4时，即60%的芯高斯激光功率和40%的环模激光功率。在总功率和芯线功率相同的情况下，通过参数设置分析了环模激光对焊缝的影响。工件为150 mm×100 mm x 6 mm 6061铝合金板材，成分见表2。在焊接过程中，用Phantom v611 Yoke高速摄像机进行顶视监控。超深三维显微镜提供了纵向剖面图。孔隙度的计算方法如下：
其中，Si和Sw分别是孔洞面积和纵向截面积
下面的公式描述了具有高中心密度的高斯激光光束：
其中，r1是光斑半径。PC是高斯激光光束的功率。
相反，环模激光光束的强度分布集中在环形形状。控制中心密度降低的环模激光器的方程如下：
其中PR是环形模激光束的功率。Rr1、rr2分别表示环模激光光束的内径和外径。
菲涅尔吸收机制被用来量化激光焊接过程中的能量吸收速率[24]。此外，当使用波长为1.07μm[25]的激光时，不考虑被称为反韧致辐射的吸收现象。
这些控制热、质传递和流体流动的方程表示如下：
连续性守恒方程：
动量守恒方程：
能量守恒方程：
变量ρ，μ、P和cp分别用于表示密度、动态粘度、压力和比热。H和T分别表示热和温度。g和u分别是重力矢量和速度。S和F是代表能量和体力的外部来源术语。
采用VOF方法跟踪液/气界面的动态演化：
这里，F代表体积分数。锁孔壁拟位于f=0.5的单元格。Carman-Kozeny方程获得各向同性渗透率如下：
C代表与糊状区组织有关的常数，而FS代表固相分数。固-液相变过程中的能量-温度关系为：
式中，H表示焓，ρS和ρL表示固体密度和液体密度。CS和Cl分别代表固体和液体的比热。TS为固相线温度，TL为液相线温度。ΔHl代表熔化潜热。
反冲压力：
PSAT、R和P0分别代表饱和压力、理想气体常数和大气压力；LV和Tb分别代表蒸发潜热和蒸发温度。
表面张力计算如下：
σ和κ分别为表面张力系数和自由表面曲率。σ0表示T0温度下的表面张力，dσ/dt表示表面张力梯度，→n表示自由表面的平均单位向量。基于Boussinesq近似，密度梯度引起的浮力计算如下：
其中β和g分别为热膨胀系数和重力加速度。
计算域的尺寸为长30 mm、宽20 mm、深9 mm。结构域由两个子结构域组成：顶层空气结构域和低合金结构域。此外，还采用了不同大小的网格来优化计算效率和精度之间的平衡。熔池区域采用直径为0.07 mm的网格，深度为6 mm。相反，边长为0.35 mm的较大立方体用于熔池外的区域。空气区域的表面被指定为具有环境温度的压力出口。将6061铝合金表面视为壁面边界，考虑了热辐射和对流的影响。表3全面概述了6061铝合金的物理参数。
主要图表
主要结论
1.与纯高斯激光相比，环形模激光有效地减少了激光焊接过程中的气孔，特别是减缓了气孔随熔深的增加而增加的趋势。
2.小孔诱导气孔的形成分为两个阶段：小孔失稳诱导气泡的生成和凝固前沿捕获气泡的形成。
3.随着环功率份额的增加，小孔的稳定性增强，有效地减少了小孔坍塌产生的气泡。这是因为随着环功率份额的增加，锁孔开口面积增大并且不容易左右摆动。稳定和扩张的小孔有利于将激光定向到小孔的下部和中部，这对防止小孔坍塌非常有利。
4.调整芯环功率比(10：0→7：3→5：5)，-X速度降低63.2%表明气泡离开小孔底部的速度较慢，容易被小孔捕获并最终消失，这是孔隙率随环功率份额增加而减少的原因之一；然而，+Z速度降低52.4%增加了气泡被凝固前沿捕获的可能性，除非气泡被小孔捕获，这解释了在某些情况下孔隙率可能随着环功率份额的增加而略有增加。
5.制定了一个准则–最小穿透与斑点直径比(PDR)–以指导参数选择，其基础是对孔隙形成整个生命周期的物理理解。利用该准则可以实现环路功率分配的最优化。
