激光焊接中的熔池特性分析

01前言

在现代制造业中，激光焊接技术以其高效、精确和适应性强等优势，广泛应用于各个领域，从航空航天到汽车制造，从电子设备到医疗器械。这一技术的核心在于激光与材料的相互作用，形成熔池并迅速凝固，从而实现金属部件的连接。熔池作为激光焊接过程中的关键区域，其特性直接决定了焊接质量、微观结构和最终性能。因此，深入理解和精确控制熔池特性对于提高激光焊接工艺水平、满足工业生产对高质量焊接接头的需求具有至关重要的意义。

02熔池几何形状

熔池的几何形状是激光焊接研究中的一个重要方面，因为它直接影响焊接过程中的热传递、材料流动和最终的焊接质量。熔池的形状通常由其深度、宽度、长宽比、热影响区（HAZ）几何形状、匙孔几何形状和熔化金属区域（MMA）几何形状等参数来描述。这些参数不仅决定了焊接接头的尺寸和形状，还影响着焊接过程中的热循环、冷却速率和微观结构的形成。

表1.激光焊接参数对各熔池几何参数的影响。

研究表明，激光功率和焊接速度是影响熔池几何形状的两个主要工艺参数，如表1所示。一般来说，随着激光功率的增加和焊接速度的降低，熔池的深度会增大，而宽度的变化相对较小。这是因为较高的激光功率能够提供更多的能量，使材料更快地熔化和蒸发，从而形成更深的匙孔和熔池，如图1所示。然而，当激光功率过高或焊接速度过低时，可能会导致材料过热、蒸发过度，甚至产生等离子体屏蔽效应，反而会降低焊接质量。因此，在实际焊接过程中，需要根据具体的材料特性和焊接要求，合理选择激光功率和焊接速度，以获得理想的熔池几何形状。

图1.激光热传导焊与激光深熔焊形成的不同焊缝形状。

除了激光功率和焊接速度，材料的热物理性能、表面状态、保护气体等因素也会对熔池几何形状产生影响。例如，材料的热导率越高，热量在材料中的传递越快，熔池的冷却速率也越快，这可能会导致熔池的尺寸相对较小。而材料的表面粗糙度和清洁度则会影响激光的吸收率，进而影响熔池的形成和稳定。此外，保护气体的种类和流量也会对熔池的形状和质量产生一定的影响，合适的保护气体可以有效地防止熔池受到氧化和污染，同时还可以调节熔池的表面张力和流动特性，从而改善焊接质量。

图2.激光摆动时的熔池形状。

通过改变激光束的运动轨迹，激光摆动可以显著影响熔池的形状和特性，如图2所示。当激光束进行摆动时，熔池的形状会变得更加均匀和稳定。摆动激光束会在熔池表面形成一个更宽的加热区域，使得熔池的边缘更加平滑，减少了尖锐的边缘和不规则的形状。这种均匀的加热方式有助于提高焊接接头的质量和力学性能，减少焊接缺陷，如裂纹和气孔。此外，激光摆动还可以增加熔池的流动性，促进熔池中的气体和杂质排出，进一步提高焊接接头的致密性和均匀性。

03熔池动力学

熔池热力学是激光焊接研究中的另一个关键领域，它涉及到激光能量在熔池中的吸收、传递和转换过程，以及由此引起的温度场分布、冷却速率和相变行为。熔池热力学特性不仅决定了熔池的形状和尺寸，还直接影响焊接接头的微观结构和力学性能。

在激光焊接过程中，激光能量被材料吸收后，会在熔池中产生高温区域，导致材料熔化和蒸发。同时，热量会通过热传导、对流和辐射等方式从高温区向低温区传递，使熔池周围的材料温度升高，进而影响材料的微观结构和性能。由于熔池的尺寸较小、温度梯度大、冷却速率快，直接测量熔池内部的温度场和冷却速率非常困难。因此，大多数研究都是通过建立数学模型和数值模拟方法来研究熔池热力学特性。

在熔池热力学模型中，通常需要考虑以下几个关键因素：首先是激光能量的吸收机制，包括材料表面的反射、吸收和透射特性，以及激光在材料内部的散射和吸收过程。不同的材料和激光参数会导致不同的吸收率和能量分布，从而影响熔池的热力学行为。其次是材料的热物理性能，如比热容、热导率、密度等，这些参数会随着温度的变化而变化，对热传递过程产生重要影响。此外，还需要考虑熔池中的流体流动和相变过程，如熔化、蒸发和凝固等，这些过程会改变熔池的形状和温度场分布，同时也会影响材料的微观结构和力学性能。

通过数值模拟和实验研究，研究者们发现，熔池中的温度场分布通常呈现出明显的非均匀性，高温区主要集中在激光作用区域和匙孔附近，而温度逐渐降低到熔池边缘和热影响区。冷却速率则随着熔池尺寸的减小和距离激光作用区域的增加而增大，通常在熔池中心和匙孔区域的冷却速率较低，而在熔池边缘和热影响区的冷却速率较高，如图2所示。这种非均匀的温度场和冷却速率分布会导致焊接接头的微观结构呈现出明显的梯度变化，如晶粒尺寸、相组成和分布等，从而影响焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。

图3.不锈钢板激光深熔焊接过程中锁眼和熔池形成的模拟结果。

为了改善熔池热力学特性，提高焊接质量和减少焊接缺陷，研究者们提出了一系列的优化方法和措施。例如，通过调整激光参数，如激光功率、焊接速度、光斑直径等，可以改变激光能量的输入方式和分布，从而优化熔池的温度场和冷却速率。此外，还可以通过采用预热、后热、多道焊接等工艺方法，以及使用不同的保护气体和焊接气氛，来调节熔池的热力学行为和微观结构演变。同时，开发新型的焊接材料和合金体系，提高材料的热稳定性和焊接性能，也是改善熔池热力学特性的重要途径之一。

04总结

激光焊接熔池特性是影响焊接质量、微观结构和力学性能的关键因素，对熔池几何形状和热力学特性的深入研究对于优化激光焊接工艺、提高焊接效率和质量具有重要意义。通过大量的实验研究和数值模拟分析，研究者们已经取得了一系列重要的研究成果，为激光焊接技术的发展和应用提供了有力的理论支持和技术指导。然而，目前的研究仍然存在一些不足之处，如模型的简化和假设较多，对复杂工况下的熔池特性预测不够准确；实验研究的系统性和全面性有待提高，缺乏对更多材料和焊接参数的深入研究等。

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审核编辑 黄宇