大功率激光焊接匙孔波动研究
焊接工艺稳定性会影响焊接质量 ，尤其是在大功率焊接过程中；激光束打在材料表面造成材料迅速蒸发形成匙孔，匙孔将激光能量锁定在内部并转化为热量 。该过程涉及各种物理元素的巨大变化和复杂耦合，给稳定焊接过程的实现挑战极大。
由于能量耦合和能量偏差是影响焊接稳定性的关键因素，因此揭示激光焊接过程中的能量耦合和偏差规律具有重要意义。匙孔效应对于实现能量耦合至关重要，主要有3个原因：1、匙孔内实现激光能量多次反射吸收；2、匙孔内的能量分布受金属羽流的影响；3、激光能量传输受上方金属羽流的影响
文献【1】研究了基于 X 射线透视的激光熔透熔焊工艺。他们指出，在稳定功率的连续激光焊接过程中，小孔前壁对激光能量的吸收率，特别是匙孔前壁上的蒸发点位置变化频繁，导致匙孔不断不稳定。
［1］ Matsunawa A， Kim J， Seto N， Mizutani M， Katayama S （1998） Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding．
来自广东工业大学高向东教授课题组对此做了大量研究，实验采用大功率盘式激光器（Trumpf 16002），最大功率为16 kW。通快 PFO 激光扫描头（聚焦光束直径为 200 微米，焦距为 300 毫米）连接到 MOTOMAN 六轴机械臂。检测系统由光电传感器模块（主要包括光电二极管）和工业相机模块组成，旨在对焊接过程中产生的物理现象和信号进行全方位的观察和获取。具体而言，扫描激光头采集光辐射信号，然后由单向反射镜和聚焦透镜通过光纤传输到光电传感器模块。在光电传感器模块中，通过二元镜和滤光片将信号分为可见光信号和反射光信号。在工业相机模组中，在焊接区域上方设置了一个黑白高速相机（简称BW相机），与低功率二极管激光光源和滤光片共同工作，获取工件表面的信号熔池和钥匙孔。场地中心是钥匙孔位置。采用彩色相机从侧面沿平行于工件的方向拍摄图像，场心为底板，据此可以获得工件表面和背面产生的金属羽流和等离子体。
板材为6mm厚的SUS 304不锈钢，焊接方式为平板焊接，激光功率设置为 6 kW，焊接速度 2 m／min，保护气体 Ar（流量：30 L／min，指向焊接方向），焦点位置在 － 4 到 4 毫米的范围内变化。
a焊缝的表面（梁侧）和背面。b顶行，金属羽流；中排，飞溅／熔池表面；和底行，焊缝剖面横截面
随着焦点位置进一步向内部熔池移动，匙孔吸收更多的激光能量，导致上部金属羽流增加，金属羽流蒸发的主要区域也逐渐向下偏移，金属羽的巨大反冲力和剪切力迫使锁孔根部的开口扩大，导致更多的金属羽体积从锁孔根部释放出来。随着金属羽流从锁孔开口释放，在锁孔边缘产生的剪切力克服了液体表面张力和重力，导致液体流走，最终导致飞溅的发生 随着更多的金属羽流释放，反冲力和剪切力得到加强，产生更多的飞溅物。这是飞溅产生的原因。同时也观察到金属羽流体积和飞溅体积同步变化，这可以间接控制飞溅和金属羽流。
· 当焦点位置在－1 到－3 mm 范围内减小时，小孔能量吸收率增加，随着焦点的加深，金属熔化和蒸发变大。因此，羽流反冲压力增加 。由于来自上部金属羽流的反冲压力驱使小孔前壁的液体向下流动，小孔前壁的液体向下飞得越快，产生的下部飞溅就越多。
小孔前壁与焊接方向的夹角 β 由于流动较快的液体的表面张力而开始变大，而羽流主流喷出方向与小孔前壁所成的夹角 γ没有明显改变。据此可以推断，在第一次激光反射时，金属羽流的反冲力和剪切力导致角度α增大。随着角度α的增大，金属羽流对小孔后壁附近的液体产生较大的反冲力和剪切力，使表面液体更快地流向熔池后方，小孔上部的开口更大。
钥匙孔在不同时间通过同一横截面的示意图。三维视觉。b上方水滴状微结构放大图。c中间部分放大图。d下部水滴状微结构放大图
在圆盘激光焊接过程中，由于金属羽流吸收和反射的激光量保持在较小的水平，反射光信号主要来自于小孔内的入射激光多次反射，反射光传输到焊盘的过程。激光头通过锁孔上部开口。因此，随着小孔上部开口面积的增加，激光反射信号变得更强，这也解释了为什么激光反射体积与小孔上开口面积同步变化，数据和良好的外观都证明焊接过程在焦点位置0 mm处基本稳定。
由于焦点位置在工件表面上方，激光束在到达工件表面或小孔内部时衰减更明显，吸收的激光能量变少。锁孔内的激光束经多次反射后聚集在锁孔上部，使锁孔内的主能量吸收区随着焦点位置向上偏移而向上偏移。随着锁孔底部曲率的增加，锁孔底部液体的表面张力也随之增加，这阻碍了锁孔底部更广泛地打开。此外，锁孔底部的金属液体具有高粘度。这导致锁孔根部比锁孔顶部更难打开，打开锁孔根部比锁孔顶部消耗更多的能量。随着主能量吸收区域向上偏移，小孔根部不太可能在 － 4 mm 的焦点位置打开，这就是为什么较低的金属羽流体积和较低的飞溅。
在高功率光纤激光焊接过程中，匙孔对激光能量保持了高吸收率，激光全熔透焊准稳态阶段熔池和匙孔的瞬态演化具有明显的周期性特征。
吸热的固态金属向液态和气态的转化以及“准焦点减少”的产生
建立多感官融合系统，采集不锈钢大功率激光焊接过程中的各种信号，并进行对比分析。通过整合多信号、焊缝成型和微观结构，对能量偏差进行了深入讨论。它影响焊接过程中的不同物理现象，如熔池、小孔、金属羽流和飞溅物。结论如下：
l 由于能量密度高，能量转换剧烈，容易出现能量偏差，影响焊接稳定性。
l 随着焊接过程的进行，后部的预热效果变得更加明显，从而导致“准焦点减少”的发生。预热作用使蒸发量增加，这是焊接不稳定的另一个原因。因此，有效控制激光诱导蒸发被认为是调整分布和防止焊接不稳定的关键。它启发我们采取措施实现焊接稳定性，以抵消工业应用中预热的影响。例如，在检测到能量偏差的信号特征后，可以使用提高焦点位置。
l 由于未穿透时小孔的曲率较大，在断面的微观结构中经常出现分层现象，进而产生“准热影响区”。
l 所以根据金属羽流体积和匙孔开口大小来实时判断匙孔形态，并同时自动调节激光功率，确保匙孔稳定能有效的提高激光焊接的稳定性，一定程度上保证焊接质量。
参考文献：Ding， S．， You， D．， Cai， F． et al． Research on laser welding process and molding effect under energy deviation． Int J Adv Manuf Technol 108， 1863–1874 （2020）．
