本研究由Meng Jiang、Xi Chen、Yanbin Chen和Wang Tao共同完成，作者单位均为哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室。研究成果发表于《Journal of Materials Processing Technology》2019年第268卷，论文标题为《Increasing keyhole stability of fiber laser welding under reduced ambient pressure》，于2019年1月29日正式在线发表。
学术背景
该研究属于激光加工与材料科学交叉领域，聚焦于光纤激光焊接（fiber laser welding）在低环境压力（reduced ambient pressure）条件下的小孔稳定性（keyhole stability）问题。传统大气压（101 kPa）下的激光焊接存在等离子体干扰、小孔周期性振荡坍塌等问题，而真空环境焊接虽能提升熔深和焊缝质量，但其物理机制尚未明确。本研究旨在通过实验观测不同环境压力（101 kPa至0.1 kPa）下小孔动态行为，揭示压力降低对小孔稳定性的影响机制，为工业厚板焊接工艺优化提供理论依据。
研究流程与方法
1. 实验设计与材料
- 研究对象：20 mm厚高强度钢板（成分见表1），搭配高硼硅玻璃组成观测模块（图1），通过透明玻璃实时观测小孔内部行为。
- 实验系统（图2）：
- 激光设备：IPG YLS-10000光纤激光器（10 kW，波长1064 nm），聚焦光斑直径0.46 mm。
- 真空系统：双泵真空室（最低压力0.1 kPa），配备石英玻璃激光导入窗和金属蒸气防护装置。
- 观测系统：两台高速摄像机（5000 fps），分别记录小孔出口（Camera 1）和内部行为（Camera 2），结合808 nm激光照明与滤光片消除等离子体干扰。
2. 实验步骤
- 焊接参数：激光功率5 kW、焊接速度1 m/min、零离焦量，环境压力设为101 kPa（大气压）、50 kPa、10 kPa、1 kPa、0.1 kPa。
- 图像处理算法（图3）：基于MATLAB开发，通过全局阈值法提取小孔轮廓面积（Sk）和深度（Dk），计算变异系数（CV）量化稳定性。
3. 创新方法
- 透明玻璃观测法：通过高硼硅玻璃与钢板的组合结构，首次实现低环境压力下小孔内部行为的直接观测（对比传统X射线法成本更低）。
- 动态压力平衡模型：通过估算小孔壁面蒸汽压力（Pv）、环境压力（P0）、表面张力（Pσ）和静水压力（Ph），建立压力平衡方程（Pv = P0 + Pσ + Ph），解释小孔振荡机制。
主要结果
焊缝形貌改善（图4）：
- 大气压下焊缝表面呈鱼鳞状波纹且存在气孔；压力降至10 kPa以下时，表面光滑无飞溅，熔深增加约2倍（如0.1 kPa下熔深达10 mm）。
- 数据支持：CV分析显示，小孔轮廓面积和深度的波动幅度在10 kPa以下显著降低（图11），表明稳定性提升。
小孔出口行为（图5）：
- 大气压下等离子体羽流随机摆动，小孔出口形状不规则；真空下羽流消失，出口呈稳定圆形。
小孔内部动态（图6-9）：
- 大气压（101 kPa）：小孔周期性振荡（周期约16 ms），后壁出现大尺寸凸起与收缩（图6-8），伴随液态金属桥断裂（图7）和气泡生成。
- 真空（1 kPa）：小孔深度增加至10 mm，后壁波动幅度减小，无坍塌现象（图9）。
压力平衡机制（图12-13）：
- 大气压下蒸汽压力波动（±10.54 kPa）远超表面张力（4 kPa），导致小孔失稳；真空下蒸汽压力波动（±0.58 kPa）仅为表面张力的0.15倍，抗干扰能力增强。
结论与价值
- 科学价值：首次通过实验证实低环境压力通过降低蒸汽压力波动提升小孔稳定性，完善了激光焊接的流体动力学理论。
- 应用价值：为航空航天、船舶等领域厚板焊接提供了工艺优化方向（如10 kPa以下压力可稳定获得无缺陷焊缝）。
研究亮点
- 方法创新：透明玻璃观测法为小孔行为研究开辟低成本路径。
- 发现创新：揭示蒸汽压力波动与表面张力的比值是控制小孔稳定性的关键参数。
- 工业意义：明确了真空激光焊接替代电子束焊接的可行性（无需X射线防护、真空度要求更低）。
其他价值
- 补充视频数据（附录A）直观展示小孔动态，支持论文结论。
- 研究获国家重点研发计划（2016YFB1102100）和黑龙江省自然科学基金（E2016027）资助。