真空环境下激光深熔焊熔深增强机制的研究报告

作者及发表信息
本研究的通讯作者为宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的T. Debroy（debroy@psu.edu）与哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室的M. Jiang、Y. B. Chen、X. Chen、W. Tao合作完成，发表于2020年4月的《Welding Journal》增刊（Vol. 99, pp. 110-S至123-S），DOI编号10.²⁹³⁹¹⁄₂₀₂₀.99.011。

学术背景
高能量密度焊接（如激光焊和电子束焊）在厚板构件制造中因高深宽比和窄热影响区（HAZ, Heat-Affected Zone）而备受青睐。然而，传统大气环境下的激光焊在熔深和缺陷控制（如气孔）方面逊于真空电子束焊。随着超高功率激光器（10–100 kW）的发展，提升熔深的同时也加剧了缺陷风险。前人通过工艺参数优化、保护气体调整、激光调制、外场辅助及真空环境等手段改善焊接质量，其中降低环境压力（真空或亚大气压）被证明是最有效的方法。

本研究旨在揭示真空环境下激光深熔焊（keyhole-mode welding）熔深增强的机制。尽管已知真空能减少等离子体羽流（plasma plume）对激光的衰减并降低材料沸点，但二者对熔深的具体贡献尚不明确。为此，研究团队通过实验与三维热流耦合模型，定量分析了沸点下降和等离子体衰减系数变化对四种合金（结构钢Q690、铝合金A5083、纯钛和镍201）焊接熔深的影响。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 设备与材料：采用IPG连续波长光纤激光器（最大功率10 kW，波长1070 nm），在定制真空舱内进行焊接实验。真空系统由两级泵（15 L/s旋片泵和70 L/s罗茨泵）实现快速降压。
- 样品制备：对15 mm厚的Q690钢和A5083铝合金进行平板堆焊（bead-on-plate welding），激光功率5 kW，焊接速度16.7 mm/s，聚焦光斑直径0.46 mm。纯钛和镍201的数据引自文献（Elmer et al., 2016）。
- 参数范围：环境压力覆盖1 atm至0.001 atm（10⁻³ atm），对比不同压力下的熔深、焊缝宽度及缺陷率。

1. 数学模型开发

   • 理论基础：基于团队前期开发的键孔焊接模型（Rai et al., 2007–2009），引入环境压力对沸点和等离子体衰减系数的动态影响。模型通过能量平衡与压力平衡迭代计算键孔几何形状，并耦合Navier-Stokes方程模拟熔池流动与传热。
     
   • 关键方程：
     
     • 沸点计算：采用Yaws提出的纯铁蒸汽压-温度关系式（式16），推广至多元合金。
       
     • 等离子体衰减：基于Rayleigh-Mie散射理论，推导衰减系数β与压力pa的线性关系（式19–20），实验标定β值（Q690钢：3 cm⁻¹，A5083铝：4 cm⁻¹）。
       
   • 边界条件：对称面采用零通量条件，键孔壁温度设为当地沸点，熔池表面考虑Marangoni对流（式8）。
     

2. 数据分析

   • 验证方法：通过金相切片测量熔深与焊缝宽度，与模拟结果对比。
     
   • 参数敏感性：分别考察仅考虑沸点变化、仅考虑衰减系数变化及二者联合作用时的熔深差异。
     

主要结果
1. 沸点下降的有限作用
- 当环境压力从1 atm降至0.001 atm，Q690钢的沸点降低约1000 K（图4），但模拟显示仅考虑沸点时熔深仅增加0.5 mm（图5a），与实验观测的6 mm增幅（4.23→10.21 mm）严重不符。
- 沸点下降通过降低键孔壁温度梯度（图6b）减少横向热传导，使焊缝变窄（图5b），但对熔深增强贡献有限。

1. 等离子体衰减的主导作用

   • 真空环境下等离子体羽流密度降低，激光衰减系数β与压力呈正比（式19–20）。联合考虑沸点与β变化后，模拟熔深与实验数据高度吻合（图9）。例如，Q690钢在0.001 atm时熔深模拟值为10.15 mm，实验值为10.21 mm。
     
   • 熔池流动分析显示，低压下向上Marangoni流减弱（图10），热量更集中于键孔底部，促进熔深增加。
     

2. 多材料普适性验证

   • 模型成功预测了铝合金A5083、纯钛和镍201在不同压力下的熔深变化（图12–14），证实机制适用于不同热物理性质的材料。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次定量揭示了真空激光焊熔深增强的双机制：等离子体衰减系数降低（贡献约80%）主导熔深提升，沸点下降（贡献约20%）主要影响焊缝形貌。
- 提出的三维热流模型为复杂环境下的焊接工艺优化提供了通用工具。

1. 应用价值
   
   • 真空激光焊在10⁻³ atm即可达到电子束焊（10⁻⁷ atm）的熔深效果，且设备成本更低，为厚板焊接提供了高效替代方案。
     
   • 研究结果可指导航天、核电等领域的高强度材料焊接工艺开发。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次将等离子体衰减系数与环境压力关联，建立动态耦合模型。
2. 跨材料验证：涵盖钢、铝、钛、镍四种差异显著的合金，增强结论普适性。
3. 工业启示：明确了亚大气压（0.01 atm）即可实现熔深饱和，降低设备真空度要求。

其他发现
- 低压下键孔稳定性提高（Jiang et al., 2019），气孔率显著降低，与电子束焊缺陷特征趋同。
- 团队开发的模型开源代码（未明确提及）或可扩展至其他高能束焊接过程模拟。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“热影响区（HAZ）”；模型公式编号与原文一致以便对照。）