本文来源自公众号：激光制造研究
导读
聚焦激光束的能量密度衰减会导致从近场到远场的不一致热力学行为，从而导致焊接稳定性恶化。然而，能量密度衰减对焊接过程的影响仍不清楚。在这项工作中，提出了一套创新的表征方法来定量评估前小孔壁和熔池动力学特征。利用多相模型对能量密度衰减和相关现象进行了数值研究。该模型采用了一种改进的光线跟踪方法，可以更准确地描述实际的光束轮廓。基于实验和数值结果，发现了一种独特的熔化行为，即由于能量密度衰减导致的小孔壁和小孔底之间的交替熔化。这种熔化行为主要是由突起沿着前锁眼壁的运动引起的，这可以显著改变能量吸收效率。此外，还发现熔池的波动幅度与这种熔化行为密切相关。通过维持突起的运动过程，可以调节熔化行为，从而提高熔池的稳定性。最后，提出并验证了通过调整光束散焦和倾斜来提高焊接稳定性的优化方法。
主要图片
图1实验装置示意图:（a）实验平台和设备布置；玻璃钢板的对接
图2图像处理和数据提取:（a）由高速摄像机拍摄的原始图像。通过灰度梯度可以识别小孔和熔池；（b）小孔和熔池区域的二值化图像；（c）边缘提取和量化。提取的边缘上的像素被转换为x – y坐标中的位置。坐标原点设置为与激光束焦平面的中心点重合；（d）二维密度图，按时间顺序水平排列小孔（上图）和熔池（下图）边缘，然后叠加不同值的强度分布。
图3小孔和熔池波动的关系:（a–c）两个波动周期的时间尺度；（d）熔池深度波动对小孔深度的干扰及分离方法
图4（a）射线跟踪热源模型和（b）计算域的示意图
图5小孔和熔池深度的波动:（a）-（c）三种情况下熔池底部的轮廓；（d）熔池深度波动；小孔深度波动；三个案例的平均深度和标准偏差
图 6 小孔光束偏差和小孔深度波动：(a) 波动周期中的小孔轮廓；(b) 锁孔光束偏差 的图示。当 Δkl < 0 时，激光光斑位于前锁孔壁上。当Δkl =0时，激光光斑在锁孔底部；(c) Δkl 变化与锁孔深度的比较
图 7. 前熔壁拖尾和突出分布：(a) 熔池波动周期中的典型小孔轮廓。第一行列出每个锁孔波动周期中深度最小的锁孔轮廓，第二行列出深度最大的锁孔轮廓；(b) 前部熔池剖面密度图(?ml)。点线显示140和280 ms的熔池轮廓；(c)前锁孔壁位移(?kk)的密度图，突起分布可以通过颜色深度来识别。期间观察到4个突起
图 8 锁孔前壁纵截面上突起行为和能量分布的模拟结果：(a)突起的分布和运动；(b) 突出物附近的回油压力和熔体流动；(c) 光束在小孔腔中的传播；(d) 小孔深度与突出位置之间的关系，实线为小孔深度，散点表示功率输入。散射的大小与输入功率的大小（W/mm）成正比；(e) 锁孔壁和锁孔底部的能量分布
图 9 激光束与锁孔前壁的相互作用：(a) 激光束在锁孔腔内反射时产生的热和力效应的模拟结果；(b)前锁孔壁局部点受力分析；(c) 不同入射激光射线入射角下的两种热输入模式的图示
图 10. 实验案例 b# 中的热输入和突出行为：(a) 前匙孔壁的倾斜角和突出表面上吸收的激光能量。点划线表示倾斜角的理论值。实线是净吸收(ΔIabs)。短点线为向上照射条件下的ΔIabs；(b)图6(e)中的突起3的宽度和深度。选择它来说明上部和两侧加热区的形态变化
图 11 焊接过程中突起的产生和演化：(a)前匙孔壁上突起运动的模拟结果；(b) 激光束与锁孔前壁相互作用过程中发生的四个步骤的图示，包括：( Ⅰ ) 突起的产生；(二)匙孔壁熔化；(Ⅲ)锁孔底熔化；(四)准稳态
图 12 三种情况下小孔轮廓和前小孔壁熔化行为的实验结果：（a）平均小孔轮廓和小孔前壁垂直部分的长度（β>85°）；(b) 两个熔化阶段的分布。密度图是根据高速摄像机图像进行处理的
主要结论
本文研究了深熔激光焊接过程中能量密度衰减对小孔和熔池稳定性的影响。根据数值和实验结果，可以得到以下结论：
（1）激光束与小孔底部的偏差是小孔深度波动的主要原因。这种偏差主要是由于锁孔底部的不稳定热量输入造成的，这是由向下移动的突起的能量遮蔽效应引起的。
（2）深熔激光焊接存在两个熔化阶段，即壁熔化阶段和底部熔化阶段。
两个熔化阶段的交替是熔池波动的主要原因。沿深度方向的能量衰减导致突起运动的中断，并形成两个熔化阶段。
（3）激光束的空间位置(焦平面和倾角)对小孔深度波动没有明显影响。这是因为与锁孔深度波动相关的突起的产生和运动几乎独立于激光束的空间位置。然而，熔池波动与激光束的空间位置密切相关。
（4）通过优化激光束的空间位置(负离焦或前倾)，减少能量密度衰减，缩短前匙孔壁拖尾。同时，突起的形状和移动速度更容易沿深度方向持续。这些现象都得到了实验的验证，其中壁熔化阶段的比例从10%提高到50%左右，焊接稳定性显着提高。
