International Communications in Heat and Mass Transfer｜5.8｜新锐分区1区Top｜ Q1｜
导读
可调环模激光焊接（ARMLW）在提升铝合金焊缝表面质量方面展现出巨大潜力，但其在改善中厚板全熔透激光焊接（FPLW）过程中的飞溅与焊缝表面塌陷方面的应用效果尚不明晰。本研究结合实验与数值模拟方法，首先量化分析了环模光束对焊缝表面粗糙度及表面塌陷高度的影响；随后建立了三维瞬态CFD模型，探究了环模光束对小孔动态行为及熔池不同区域与截面流动特征的作用规律，进而阐明了环模光束抑制飞溅与焊缝表面塌陷的机理。结果表明，环模光束能显著改善焊缝表面粗糙度。当环模功率为1500 W时，焊缝表面塌陷高度降低了14.07%。与环模功率为0 W相比，引入环模光束后，小孔入口扩大，小孔振荡得到缓解，从而形成稳定、规整的贯穿小孔。小孔壁面更均匀的能量分布促使熔体呈现长距离、多路径的规整流动。熔池顶部较低的水平及向上流速，有效抑制了由向上流动引发的液柱喷发与飞溅；同时，熔池中下部较低的向下流速，以及熔池顶部由环模光束主导的向上流速，有效遏制了熔体的下坠，从而减小了焊缝表面的塌陷高度。
主要图表
图 1. 激光焊接实验装置。
图 2. 不同环形功率下的激光能量密度分布。
图3. 模拟所需的计算域（白色虚线表示精细网格区域）。
图4. 比热容与热导率随温度变化的关系（黑色虚线分别表示固相线和液相线）。
图5. 焊缝表面及焊根形貌（黑色虚线表示焊根轮廓；表面粗糙度测试区域以黑色矩形标示）：(a1–b1) 环功率为0 W（PC4）；(a2–b2) 环功率为500 W（PC4PR0.5）；(a3–b3) 环功率为1000 W（PC4PR1）；(a4–b4) 环功率为1500 W（PC4PR1.5）；(a5–b5) 环功率为2000 W（PC4PR2）。
图6. 焊缝的横截面形态（黑色虚线表示焊缝边界；黄色实线标示孔隙缺陷）：(a) 环功率为0 W时（PC4）；(b) 环功率为500 W时（PC4PR0.5）；(c) 环功率为1000 W时（PC4PR1）；(d) 环功率为1500 W时（PC4PR1.5）；(e) 环功率为2000 W时（PC4PR2）。（关于图例中颜色标注的含义解释，请参阅本文网络版。）
图 7. 焊缝顶部与底部的宽度统计分布。
图8. 沿焊缝方向及垂直于焊缝方向的表面形貌分布与高度统计云图：(a1)-(c1) 环功率为0 W（PC4）；(a2)-(c2) 环功率为500 W（PC4PR0.5）；(a3)-(c3) 环功率为1000 W（PC4PR1）；(a4)-(c4) 环功率为1500 W（PC4PR1.5）；(a5)-(c5) 环功率为2000 W（PC4PR2）。
图9. 实验与模拟焊缝轮廓的对比（黑色/白色虚线分别表示实验与模拟所得的焊缝边界）。(a)和(d)分别为环功率为0 W（PC4）时的实验与模拟结果；(b)和(e)分别为环功率为1000 W（PC4PR1）时的实验与模拟结果；(c)和(f)分别为环功率为1500 W（PC4PR1.5）时的实验与模拟结果。
图10. 不同环功率下焊接表面宽度、腰宽、底部宽度及表面塌陷高度的实验结果与仿真结果对比。
图11. 不同环功率下熔池顶面的模拟结果（白色虚线分别表示键孔入口与熔池边界）：(a) 环功率为0 W（PC4）；(b) 环功率为1000 W（PC4PR1）；(c) 环功率为1500 W（PC4PR1.5）。
图12。(a)不同环形功率下键孔入口面积的变化；(b)准稳态过程（40–100 ms）中键孔入口面积的振荡曲线。
图13. 不同环形功率下的键孔深度波动。(a)键孔深度波动曲线；(b)深度波动的傅里叶变换结果。
图14展示了不同典型截面中的温度分布及熔体流动状态（白色/黑色虚线分别表示不同选定位置及键孔边界处的截面，黑色实线分别表示固相线与液相线）。(a)–(d)分别为环功率为0 W（PC4）时的三维分布、纵向截面、横截面及水平截面；(e)–(h)分别为环功率为1500 W（PC4PR1.5）时的三维分布、纵向截面、横截面及水平截面。
图15. 典型周期内键孔与壁面温度分布的振荡行为（灰色区域表示熔池）。(a) 环功率为0 W时（PC4）；(b) 环功率为1500 W时（PC4PR1.5）。
图14展示了不同典型截面中的温度分布及熔体流动状态（白色/黑色虚线分别表示不同选定位置及键孔边界处的截面，黑色实线分别表示固相线与液相线）。(a)–(d)分别为环功率为0 W（PC4）时的三维分布、纵向截面、横截面及水平截面；(e)–(h)分别为环功率为1500 W（PC4PR1.5）时的三维分布、纵向截面、横截面及水平截面。
图15. 典型周期内键孔与壁面温度分布的振荡行为（灰色区域表示熔池）。(a) 环功率为0 W时（PC4）；(b) 环功率为1500 W时（PC4PR1.5）。
图 16. (a) 在环功率为 0 W（PC4）条件下，熔池纵向截面典型时段内的键孔振荡行为及熔体热流分布；(b) 液柱形成时刻；(c) 液柱收缩并产生飞溅颗粒的时刻。
图17. 在环形功率为1500 W（PC4PR1.5）条件下，熔池纵向截面典型时段内的键孔振荡行为及熔体热流分布。
图 18. 在环功率为 0 W（PC4）和 1500 W（PC4PR1.5）条件下，熔池各区域中 X、Y 方向平均速度分布。(a)用于统计平均速度计算的熔池区域划分示意图；(b)顶部区域的速度波动曲线；(c)中部区域的速度波动曲线；(d)底部区域的速度波动曲线。
图 19. 不同区域平均流速的傅里叶变换。(a)–(c)分别为顶部、中部和底部处平均X方向流速的傅里叶变换；(b)–(d)分别为顶部、中部和底部处平均Y方向流速的傅里叶变换。
图 20. (a) 环功率为 0 W（PC4）时熔池顶面的流动特性（白色虚线标示关键孔边界）；(b) 喷溅加速阶段；(c) 喷溅物脱离计算域的时刻。
图 21. 环形功率为 1500 W（PC4PR1.5）时熔池顶面的流动特性（白色虚线标示键孔边界）。
主要结论
本文创新性地将可调环模激光焊接（ARMLW）应用于解决中厚铝合金板全熔透激光焊接（FPLW）过程中的飞溅与焊缝表面塌陷问题。采用实验与数值模拟相结合的方法，系统探究了环模光束对中厚铝合金FPLW过程中小孔动态行为及熔池流动特征的影响，并利用经验证的三维瞬态CFD模型阐明了环模光束抑制飞溅与焊缝表面塌陷的作用机理。研究表明，应用ARMLW解决中厚铝合金FPLW过程中的飞溅与表面塌陷问题是一种可靠的技术途径。主要结论总结如下：
实验结果表明，环模光束显著改善了全熔透焊缝的表面粗糙度与塌陷高度，实现了焊缝表面的均匀化。当环模功率为1500 W时，焊缝表面塌陷高度降低14.07%；但进一步提高环模功率将产生负面影响。
环模光束通过增大小孔入口平均面积并延长其开放时间，显著抑制了小孔振荡，维持了更宽阔、稳定的小孔通道。激光能量得以辐射至小孔中下部，使小孔壁面能量分布更为均匀。
在典型小孔周期内，受环模光束作用，熔体呈现出更长距离、更广范围的流动特征。熔池顶部的平均+X与+Y流速分别降低了20.47%与20.23%，平均-X流速降低了29.03%。这有效缓解了金属蒸气剪切及熔体对小孔的影响，并抑制了由向上流动引发的液柱喷发与飞溅。
在环模光束作用下，熔池顶部、中部及底部的平均-Y流速分别降低了37.25%、41.96%与40.48%。较低的向下流速水平以及熔池顶部占优的向上流动，有效加剧了焊缝表面的塌陷。（注：此处原文逻辑似有矛盾，译文保留原意，建议作者核对是否为“抑制了塌陷”）
本研究深化了对FPLW过程中环模光束抑制飞溅与焊缝表面塌陷机理的认识，为中厚铝合金板材ARMLW技术的应用提供了重要参考。研究过程中发现，环模光束导致小孔底部平均流速在-X方向增大、-Y方向减小，暗示其对气孔缺陷可能存在改善作用。后续工作将复现气泡生成过程及其迁移路径，进一步阐明环模光束对气孔缺陷的抑制机理；同时将利用高速摄影监测焊接过程，获取表面熔池的动态波动与内部小孔的瞬态行为，以进一步验证所建立模型框架的可靠性。
主要信息
Mechanism of ring beam influence on spatter and surface collapse in full penetration laser welding of aluminum alloys
https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.110256
