01前言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光焊接技術以其高效、精確和適應性強等優(yōu)勢，廣泛應用于各個領域，從航空航天到汽車制造，從電子設備到醫(yī)療器械。這一技術的核心在于激光與材料的相互作用，形成熔池并迅速凝固，從而實現(xiàn)金屬部件的連接。熔池作為激光焊接過程中的關鍵區(qū)域，其特性直接決定了焊接質量、微觀結構和最終性能。因此，深入理解和精確控制熔池特性對于提高激光焊接工藝水平、滿足工業(yè)生產對高質量焊接接頭的需求具有至關重要的意義。

02熔池幾何形狀

熔池的幾何形狀是激光焊接研究中的一個重要方面，因為它直接影響焊接過程中的熱傳遞、材料流動和最終的焊接質量。熔池的形狀通常由其深度、寬度、長寬比、熱影響區(qū)（HAZ）幾何形狀、匙孔幾何形狀和熔化金屬區(qū)域（MMA）幾何形狀等參數(shù)來描述。這些參數(shù)不僅決定了焊接接頭的尺寸和形狀，還影響著焊接過程中的熱循環(huán)、冷卻速率和微觀結構的形成。

表1.激光焊接參數(shù)對各熔池幾何參數(shù)的影響。

研究表明，激光功率和焊接速度是影響熔池幾何形狀的兩個主要工藝參數(shù)，如表1所示。一般來說，隨著激光功率的增加和焊接速度的降低，熔池的深度會增大，而寬度的變化相對較小。這是因為較高的激光功率能夠提供更多的能量，使材料更快地熔化和蒸發(fā)，從而形成更深的匙孔和熔池，如圖1所示。然而，當激光功率過高或焊接速度過低時，可能會導致材料過熱、蒸發(fā)過度，甚至產生等離子體屏蔽效應，反而會降低焊接質量。因此，在實際焊接過程中，需要根據(jù)具體的材料特性和焊接要求，合理選擇激光功率和焊接速度，以獲得理想的熔池幾何形狀。

圖1.激光熱傳導焊與激光深熔焊形成的不同焊縫形狀。

除了激光功率和焊接速度，材料的熱物理性能、表面狀態(tài)、保護氣體等因素也會對熔池幾何形狀產生影響。例如，材料的熱導率越高，熱量在材料中的傳遞越快，熔池的冷卻速率也越快，這可能會導致熔池的尺寸相對較小。而材料的表面粗糙度和清潔度則會影響激光的吸收率，進而影響熔池的形成和穩(wěn)定。此外，保護氣體的種類和流量也會對熔池的形狀和質量產生一定的影響，合適的保護氣體可以有效地防止熔池受到氧化和污染，同時還可以調節(jié)熔池的表面張力和流動特性，從而改善焊接質量。

圖2.激光擺動時的熔池形狀。

通過改變激光束的運動軌跡，激光擺動可以顯著影響熔池的形狀和特性，如圖2所示。當激光束進行擺動時，熔池的形狀會變得更加均勻和穩(wěn)定。擺動激光束會在熔池表面形成一個更寬的加熱區(qū)域，使得熔池的邊緣更加平滑，減少了尖銳的邊緣和不規(guī)則的形狀。這種均勻的加熱方式有助于提高焊接接頭的質量和力學性能，減少焊接缺陷，如裂紋和氣孔。此外，激光擺動還可以增加熔池的流動性，促進熔池中的氣體和雜質排出，進一步提高焊接接頭的致密性和均勻性。

03熔池動力學

熔池熱力學是激光焊接研究中的另一個關鍵領域，它涉及到激光能量在熔池中的吸收、傳遞和轉換過程，以及由此引起的溫度場分布、冷卻速率和相變行為。熔池熱力學特性不僅決定了熔池的形狀和尺寸，還直接影響焊接接頭的微觀結構和力學性能。

在激光焊接過程中，激光能量被材料吸收后，會在熔池中產生高溫區(qū)域，導致材料熔化和蒸發(fā)。同時，熱量會通過熱傳導、對流和輻射等方式從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，使熔池周圍的材料溫度升高，進而影響材料的微觀結構和性能。由于熔池的尺寸較小、溫度梯度大、冷卻速率快，直接測量熔池內部的溫度場和冷卻速率非常困難。因此，大多數(shù)研究都是通過建立數(shù)學模型和數(shù)值模擬方法來研究熔池熱力學特性。

在熔池熱力學模型中，通常需要考慮以下幾個關鍵因素：首先是激光能量的吸收機制，包括材料表面的反射、吸收和透射特性，以及激光在材料內部的散射和吸收過程。不同的材料和激光參數(shù)會導致不同的吸收率和能量分布，從而影響熔池的熱力學行為。其次是材料的熱物理性能，如比熱容、熱導率、密度等，這些參數(shù)會隨著溫度的變化而變化，對熱傳遞過程產生重要影響。此外，還需要考慮熔池中的流體流動和相變過程，如熔化、蒸發(fā)和凝固等，這些過程會改變熔池的形狀和溫度場分布，同時也會影響材料的微觀結構和力學性能。

通過數(shù)值模擬和實驗研究，研究者們發(fā)現(xiàn)，熔池中的溫度場分布通常呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，高溫區(qū)主要集中在激光作用區(qū)域和匙孔附近，而溫度逐漸降低到熔池邊緣和熱影響區(qū)。冷卻速率則隨著熔池尺寸的減小和距離激光作用區(qū)域的增加而增大，通常在熔池中心和匙孔區(qū)域的冷卻速率較低，而在熔池邊緣和熱影響區(qū)的冷卻速率較高，如圖2所示。這種非均勻的溫度場和冷卻速率分布會導致焊接接頭的微觀結構呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，如晶粒尺寸、相組成和分布等，從而影響焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能。

圖3.不銹鋼板激光深熔焊接過程中鎖眼和熔池形成的模擬結果。

為了改善熔池熱力學特性，提高焊接質量和減少焊接缺陷，研究者們提出了一系列的優(yōu)化方法和措施。例如，通過調整激光參數(shù)，如激光功率、焊接速度、光斑直徑等，可以改變激光能量的輸入方式和分布，從而優(yōu)化熔池的溫度場和冷卻速率。此外，還可以通過采用預熱、后熱、多道焊接等工藝方法，以及使用不同的保護氣體和焊接氣氛，來調節(jié)熔池的熱力學行為和微觀結構演變。同時，開發(fā)新型的焊接材料和合金體系，提高材料的熱穩(wěn)定性和焊接性能，也是改善熔池熱力學特性的重要途徑之一。

04總結

激光焊接熔池特性是影響焊接質量、微觀結構和力學性能的關鍵因素，對熔池幾何形狀和熱力學特性的深入研究對于優(yōu)化激光焊接工藝、提高焊接效率和質量具有重要意義。通過大量的實驗研究和數(shù)值模擬分析，研究者們已經取得了一系列重要的研究成果，為激光焊接技術的發(fā)展和應用提供了有力的理論支持和技術指導。然而，目前的研究仍然存在一些不足之處，如模型的簡化和假設較多，對復雜工況下的熔池特性預測不夠準確；實驗研究的系統(tǒng)性和全面性有待提高，缺乏對更多材料和焊接參數(shù)的深入研究等。

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審核編輯 黃宇