01前言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，激光焊接技術(shù)以其高效、精確和適應(yīng)性強等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，從航空航天到汽車制造，從電子設(shè)備到醫(yī)療器械。這一技術(shù)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(guān)鍵區(qū)域，其特性直接決定了焊接質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)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(chǎn)對高質(zhì)量焊接接頭的需求具有至關(guān)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(dāng)激光功率過高或焊接速度過低時，可能會導(dǎo)致材料過熱、蒸發(fā)過度，甚至產(chǎn)生等離子體屏蔽效應(yīng)，反而會降低焊接質(zhì)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(dǎo)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(chǎn)生影響。例如，材料的熱導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量產(chǎn)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(diào)節(jié)熔池的表面張力和流動特性，從而改善焊接質(zhì)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(dāng)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(zhì)量和力學(xué)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(zhì)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(xué)

熔池?zé)崃W(xué)是激光焊接研究中的另一個關(guān)鍵領(lǐng)域，它涉及到激光能量在熔池中的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)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?zé)崃W(xué)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(jié)構(gòu)和力學(xué)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(chǎn)生高溫區(qū)域，導(dǎo)致材料熔化和蒸發(fā)。同時，熱量會通過熱傳導(dǎo)、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(jié)構(gòu)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(nèi)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(xué)模型和數(shù)值模擬方法來研究熔池?zé)崃W(xué)特性。

在熔池?zé)崃W(xué)模型中，通常需要考慮以下幾個關(guān)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(nèi)部的散射和吸收過程。不同的材料和激光參數(shù)會導(dǎo)致不同的吸收率和能量分布，從而影響熔池的熱力學(xué)行為。其次是材料的熱物理性能，如比熱容、熱導(dǎo)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(chǎn)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?nèi)鄢氐男螤詈蜏囟葓龇植?，同時也會影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)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(dǎo)致焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)果。

為了改善熔池?zé)崃W(xué)特性，提高焊接質(zhì)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(diào)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(yù)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(diào)節(jié)熔池的熱力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)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?zé)崃W(xué)特性的重要途徑之一。

04總結(jié)

激光焊接熔池特性是影響焊接質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，對熔池幾何形狀和熱力學(xué)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(zhì)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(jīng)取得了一系列重要的研究成果，為激光焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。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(shè)較多，對復(fù)雜工況下的熔池特性預(yù)測不夠準(zhǔn)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。

源自網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃宇