本文来源自公众号：高能束加工技术及应用
来自华中科技大学的研究员在Journal of Materials Processing Tech期刊上发表文章Surface microstructuring strategy for suppressing hump defects in ultra-high-power laser penetration welding of thick plates: Experimental and numerical insights。
一、论文导读
超高功率激光凭借高效、低成本的优势实现厚截面构件的单道焊接，但驼峰缺陷阻碍了其应用。本研究提出一种基于对接截面表面微结构化的驼峰缺陷抑制方法，成功实现20 mm厚不锈钢的优质单道焊接。建立了融合表面微观结构特征的计算流体动力学（CFD）模型，其计算结果与实验数据基本吻合。表面微结构化产生两大直接作用：促进熔池扩展并提高激光能量吸收率，推动匙孔从非穿透态向穿透态转变。匙孔壁附近熔体液具有更高的切向速度，同时抑制熔质向下流动，且熔池底部无低速区，使得表面张力驱动的背面熔质收缩得以实现，进而抑制驼峰缺陷形成。所得焊缝晶粒更细小，小角度晶界占比更高，抗拉强度和伸长率良好。焊缝微观结构的变化源于熔池经历的更高温度高温热循环，而力学性能的提升主要归因于焊接成形质量的改善。该方法焊接过程无需额外辅助设备，为超高功率激光单道焊接在厚截面构件制造中的工业应用提供了一种具有良好发展前景的解决方案。
二、全文概述
该研究针对超高功率激光厚板单道焊接虽高效低成本但易产生驼峰缺陷，且现有抑制方法需额外辅助设备的问题，以20 mm厚316L奥氏体不锈钢为实验材料，提出对接截面表面微结构化方法，通过脉冲激光网格扫描制备不同参数的微结构（设P-0为无结构化对照组，各个参数都为0；P-1~P-4为微结构化组，且每组参数的扫描间隙都为0.1mm，激光功率和脉冲频率不同），并建立融合表面微结构特征的CFD模型，结合激光共聚焦、电子背散射衍射（EBSD）、拉伸测试、高速成像等手段开展研究；实验结果表明，P-2参数组（激光功率90W、脉冲频率100Hz）能有效抑制驼峰缺陷，实现优质单道焊接，其核心机制是表面微结构化促进熔池扩展和激光能量吸收，推动匙孔从非穿透态转为穿透态，使匙孔壁附近熔液切向速度提高、熔质向下流动受阻，且熔池底部无低速区，同时焊缝晶粒细化、小角度晶界占比降低，抗拉强度和伸长率分别达到母材的96%和65%；该方法无需额外辅助设备，灵活性和通用性强，为超高功率激光厚板焊接的工业应用提供了可行方案，同时也指出其存在额外加工步骤、不同材料与合适表面粗糙度的关联未明确等局限性，需后续进一步研究完善。
三、图文解析
图1展示P-0表面（a、f）无任何微结构，呈平整状态；P-1（b、g）为低功率高扫描速（45W、150Hz），形成鱼鳞状交错熔池坑（Ra=6.23μm）；P-2（c、h）为90W、100Hz，形成连续波纹槽（Ra=10.43μm），无飞溅；P-3（d、i）、P-4（e、j）功率更高（120W），Ra达20.48μm、26.43μm，出现深槽和飞溅颗粒。结果表明，P-2组微结构粗糙度适中，既保证激光能量吸收，又避免过大间隙，为驼峰抑制奠定基础，而P-0无结构化处理，无法实现该效果。
图2展示P-0 组上表面无明显凹陷，背面布满均匀驼峰，因无微结构导致激光能量吸收不足，匙孔无法穿透，熔液底部堆积；P-1 组背面仍有不规则凸起，抑制效果差；P-2组上表面平整，背面无驼峰，成形效果好；P-3上表面凹陷，P-4上表面呈切割状、背面内凹，仅P-2 组能有效抑制驼峰缺陷，验证适度表面微结构化的效果，且P-0无结构化处理是驼峰产生的核心原因之一。
图3展示P-0组匙孔始终封闭，熔池流动不稳定，底部有小熔滴脱落，最终形成驼峰；P-2组匙孔持续穿透，熔池流动均匀，无飞溅，背面成形平整；P-4组匙孔虽穿透，但熔液大量飞溅，导致背面凹陷。结果表明，表面微结构化让匙孔从P-0的封闭态转为P-2的稳定穿透态，阻断熔液底部堆积路径，而P-0因无结构化，匙孔无法穿透，熔池流动不稳定。
图4（a）拉伸曲线显示，P-0组（含驼峰缺陷）抗拉强度为母材的87%（母材630MPa），伸长率仅为母材的37%（母材53%），因驼峰缺陷导致力学性能降低；P-2组抗拉强度达母材96%，伸长率达65%，远优于P-0；分层数据显示P-2组各区域性能均匀，MZ区伸长率略高。结果表明，驼峰缺陷消除+微观组织优化，共同提升焊接接头力学性能，而P-0因无结构化导致的驼峰缺陷，严重影响其抗拉强度和伸长率。
四、总结
本研究提出对接截面表面微结构化方法，成功实现20 mm厚316L不锈钢超高功率激光单道焊接的驼峰缺陷抑制，无需额外辅助设备即可获得优质成形接头。该方法通过脉冲激光制备适度粗糙度的微结构（对接间隙为激光光斑直径的1/15~2/15），一方面促进熔池扩展并提升激光能量吸收，推动匙孔从封闭态转为稳定穿透态，另一方面借助马兰戈尼效应提高匙孔壁附近熔液切向速度，抑制熔质向下流动且消除熔池底部低速区，从根本上减少熔液底部堆积。表面微结构化还使焊缝经历更高峰值温度和更长高温停留时间，实现晶粒细化，最终使接头抗拉强度和伸长率分别达到母材的96%和65%，力学性能提升。与真空法、电磁辅助等传统方法相比，该方法灵活性强、通用性广，理论上适用于不同厚度长焊缝和曲面焊缝的连接，但仍存在需额外加工步骤、不同材料与适配表面粗糙度的关联未明确等局限，未来需进一步优化微结构化效率。
