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作者及发表信息

本研究由Zihan Li（第一作者）、Fang Li（通讯作者）、Chen Shen、Zhengxian Li、Yilin Chen和Xueming Hua（通讯作者）合作完成。作者单位包括上海交通大学材料科学与工程学院（Shanghai Jiao Tong University）的材料激光加工与改性上海市重点实验室（Shanghai Key Laboratory of Material Laser Processing and Modification）、上海长兴海洋实验室（Shanghai Changxing Ocean Laboratory）、上海交通大学海洋装备研究院（Institute of Marine Equipment），以及苏州易成形材料技术有限公司（Easyforming Materials Technology Co. Ltd）。研究发表于Journal of Manufacturing Processes（2025年8月），论文标题为《Undercut suppression via time-dependent laser power modulation strategy during the circular oscillating laser welding process》。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于激光焊接工艺优化领域，聚焦于热成形钢（Press-Hardened Steel, PHS）的激光焊接问题。PHS因其高强度（抗拉强度达1500 MPa）和轻量化特性，广泛应用于汽车结构件（如A柱、B柱）。然而，PHS表面的Al-Si涂层在焊接过程中会流入熔池，导致焊缝区形成δ-铁素体，降低接头力学性能。虽然填充焊丝（filler wire）可缓解这一问题，但焊丝与激光束的动态相互作用会引发能量密度分布不均，进而形成咬边缺陷（undercut），影响焊缝质量。

研究目标

开发一种时间依赖的激光功率调制策略（time-dependent laser power modulation），通过调控振荡激光焊接过程中的能量分布，抑制咬边缺陷，并揭示其形成与抑制机制。

研究流程与方法

1. 实验设计与材料

• 材料：1.4 mm厚的Al-Si涂层22MnB5钢（PHS），填充焊丝为直径1.0 mm的低碳钢，化学成分通过表格列出（表1）。
  
• 焊接系统：采用脉冲光纤激光器（光斑直径0.8 mm），焊接速度7 m/min，焊丝送丝速度1.5 m/min，送丝角度30°。激光振荡频率125 Hz，振幅1 mm（通过预实验确定）。
  

2. 激光功率调制策略

• 振荡轨迹：圆形振荡路径（circular oscillating trajectory），分为4个相位（图1b）。激光功率按相位动态调整：P1→P2→P3→P2（图1c）。
  
• 优化方法：采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM），以咬边深度（undercut depth, *du*）为响应变量，针对焊丝横向偏移量（δ = -0.5 mm、0 mm、0.5 mm）设计三组实验（表2）。
  

3. 数据采集与分析

• 焊缝形貌测量：使用SICK AG的3D相机（XR 100）扫描焊缝表面高度，分辨率0.004 mm（z方向）。通过滑动窗口算法提取稳定区域，统计咬边深度（图2）。
  
• 数值模拟：基于FLOW-3D软件建立模型，模拟熔池动力学、锁孔（keyhole）演化、能量密度分布及激光吸收效率。模型包含864,000个网格，引入马兰戈尼力（Marangoni force）和反冲压力（recoil pressure）边界条件（公式4-8）。
  

4. 实验验证

• 优化参数验证：通过实验对比优化前后的咬边深度（表6），结果显示优化后*du*降低50-70%（<0.07 mm），符合ISO 13919-1标准。
  

主要结果

1. 激光功率调制效果

• 当δ = -0.5 mm或0 mm时，熔池后部的反向流动（backward flow）导致熔池塌陷，形成咬边。通过增加振荡轨迹中部的激光功率（P2）并降低边缘功率（P1、P3），熔池中心能量密度提升约15%，稳定性显著改善（图8）。
  
• 当δ = 0.5 mm时，能量密度降低20%，熔池以正向流动（forward flow）为主，自然抑制咬边（图14b）。
  

2. 数值模拟揭示的机制

• 锁孔动力学：非均匀能量分布导致锁孔周期性塌陷与重建（图10）。优化后，P2功率提升形成全穿透锁孔，P3功率降低促进锁孔收缩，稳定熔池（图9）。
  
• 能量分布：调制策略使能量密度从边缘向中部集中（图11），减少反向流动。
  
• 激光吸收效率：δ = 0.5 mm时，焊丝吸收更多能量，熔池能量密度降低，锁孔更浅且稳定（图12-13）。
  

结论与价值

科学意义

1. 提出时间依赖的激光功率调制策略，首次通过相位动态调控能量密度，解决了振荡激光焊接中的咬边问题。
   
2. 通过数值模型阐明了咬边形成与抑制的流体动力学机制，包括锁孔演化与熔池流动的耦合作用。
   

应用价值

1. 为汽车工业中Al-Si涂层PHS的高质量焊接提供了工艺指导，可直接用于生产线优化。
   
2. 开发的RSM优化方法和数值模型可推广至其他激光焊接场景。
   

研究亮点

1. 创新性方法：首次将激光功率调制与圆形振荡轨迹结合，实现能量密度的精确时空控制。
   
2. 多尺度验证：实验与模拟结合，从宏观形貌到微观流动机制全面解析咬边抑制原理。
   
3. 普适性方案：针对不同焊丝偏移量（δ）提出差异化调制策略，增强工艺适应性。
   

其他价值

• 研究揭示了焊丝偏移对能量分布的临界影响，为后续激光-电弧复合焊接研究提供了新思路。
  
• 开发的3D焊缝形貌分析算法（图2）可应用于其他焊接缺陷的定量评估。
  

（全文约2000字）