本文来源自公众号：Laser Frontier

主要作者：Lingyu Guo, Yuqiang Li, Shaoning Geng, Chunming Wang, Ping Jiang

第一单位：Huazhong University of Science & Technology

发表期刊：Surface & Coatings Technology

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.128056

一、研究背景

铝合金因其低密度、高强度和良好的耐腐蚀性，在航空航天、汽车制造等领域应用广泛。然而，其表面易形成纳米级氧化膜，影响后续焊接与涂装质量。传统清洗方法存在效率低、环境污染等问题，激光清洗技术以其高效、灵活、环保等优势成为铝合金表面处理的重要方法。但现有研究多集中于二维瞬态模拟，对三维形貌演化机制及热质传递耦合作用缺乏系统研究。因此，深入研究激光清洗铝合金表面形貌演变机制具有重要意义。

二、研究内容

本研究通过构建三维热传递-流体流动耦合模型，结合实验验证，系统分析了6061铝合金在纳秒脉冲激光（波长1064nm，脉宽100ns）清洗过程中的动态演化机制。研究内容主要包括以下几个方面：

1.有限元模型的建立

采用VOF方法追踪气液界面，建立包含质量守恒、动量方程和能量方程的多物理场耦合模型。考虑反冲压力、表面张力、重力及蒸发冷却效应，设置高斯分布表面热源（光斑直径70μm）热源公式为：。材料的热物性参数采用温度依赖性函数，动态粘度设为0.001Pa·s，熔池区采用自适应网格加密技术（最小网格0.25μm）。图1中是进行数值模拟的网格模型示意图。

2.实验阶段

实验采用6061铝合金，使用脉冲激光清洗平台，包括脉冲激光器、计算机控制系统、准直器、二维振镜和聚焦场镜。实验中，脉冲宽度和脉冲重复率保持恒定，平均激光功率分别为20W、40W和60W。通过扫描电子显微镜（SEM）和超景深3D显微镜观察样品表面形貌。图2是激光清洗设备示意图：

三、研究结果

1、表面形貌演化规律

在激光功率为20w时，表面形成微小地形凹陷，周围凸起较低无飞溅现象。最大流速仅为5m/s，熔池深度约为4.5μm，主要原因是表面张力主导熔池流动，重力作用抑制材料喷溅；功率为40w和60w时，表面凹陷深度逐渐增加，周围凸起也升高，形成火山口状形貌。40W时最大流速可达150m/s，熔池深度约为5μm；60W时熔池深度可达8μm，且产生大量飞溅。其主要原因是功率提升使蒸发冷却效应增强，导致熔池中心区域快速凝固。各个功率情况下的表面形貌模拟与验证数据如图3所示：

2、温度场与流场分布

(1)温度场模型分析：

实验结果表明，随着激光功率增加，熔池深度逐渐增加，液相线和固相线深度分别达到4.5μm、5μm、8μm和5.5μm、6μm、9μm（对应20W、40W、60W）。随着PL的增加，固相线和液相线温度的位置逐渐向深度方向移动，同时波动逐渐变大。这种波动与熔池的流动密切相关。PL较低时，熔池流动平缓稳定，升温和降温过程相对平稳。当PL逐渐增大时，反冲力随着熔池的剧烈波动而增大，导致升温和降温过程的波动与液相线相比，固相线的变化相对更稳定。主要原因是固相线附近的流速很小甚至不流动，材料的加热和冷却过程会更加平稳。Z向不同PL清洗之后的数据变化如图4、5所示：

(2)流场分析

20W时熔池流动较为平稳，40W和60W时流动更为剧烈，出现大量飞溅现象。60W时熔池爆炸式飞溅，表面形成明显凹陷轮廓。如图6所示当PL增加到60 W时，表面凹陷的形成主要与大量的熔体飞溅有关，凹陷的深度和宽度明显变大。飞溅的熔体带走了大量热量，使温度下降得更。

四、研究结论

本文通过建立有限元模型并结合实验验证，系统研究脉冲激光清洗6061铝合金表面形貌演变机制。研究发现，激光清洗过程中，表面形貌演变与反冲压力、表面张力和重力密切相关，且Marangoni效应在形貌演变中起重要作用；同时，随着激光功率增加，熔池最大流速增加，导致熔池不稳定和飞溅现象。20W时最大流速为5m/s，40W和60W时可达150m/s；验证了高激光功率导致铝合金受强热效应影响，熔化区域增大，熔池流动和飞溅现象影响温度演变行为。该研究为铝合金表面精密激光处理提供了理论依据和实验支持。

五、未来展望

1、模型优化：

考虑等离子体屏蔽效应和空泡动力学对熔池流动的影响，完善多尺度模拟框架；

2、优化激光清洗参数：

探索不同合金成分和激光波长对表面形貌的影响；

3、工艺手段优化；

建立功率-扫描速度-形貌参数的定量关系模型，开发形貌预测智能算法；