类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的作者为敖三三、罗震、黄尊月、冯梦楠，均来自天津大学材料科学与工程学院。研究论文《激光深熔焊过程熔池小孔发声数值计算与试验分析》发表于《焊接学报》（Transactions of the China Welding Institution）2016年第37卷第11期。

学术背景
激光深熔焊（laser deep penetration welding）是当前最具发展潜力的焊接技术之一，但其焊接质量的实时监测仍面临挑战。由于激光焊接过程中熔池小孔（keyhole）内部难以直接观测，研究人员通常通过分析焊接过程中产生的光信号、电信号、超声波信号或声信号（acoustic signal）来间接评估焊接质量。其中，声信号因其非接触、响应快、安装灵活等优势，成为重要的监测参量。

本研究旨在探究激光深熔焊过程中熔池小孔振动发声的机理，并通过数值模拟与试验验证相结合的方法，建立熔池小孔形状与声信号特征之间的关联，为焊接质量监测提供理论基础。

研究流程
1. 试验设计
- 研究对象：厚度为3.5 mm的低碳钢板。
- 设备：采用JK2003SM型Nd:YAG激光器（焦距160 mm），声信号采集使用MPA416传声器，采样频率设置为10 kHz。
- 工艺参数：固定激光功率（1900 W）和离焦量（-3.5 mm），焊接速度分别为3 cm/s、4 cm/s和5 cm/s。

1. 熔池小孔形貌分析

   • 通过切割、打磨和腐蚀焊缝试样，获得三种典型熔池小孔形貌：平底形（flat shape）、锥形（cone shape）和匙形（spoon shape）。
     

2. 声信号采集与分析

   • 采集焊接过程中的声信号，并进行时域和频域分析。
     
   • 频谱分析显示，三种小孔对应的共振频率分别为：平底形1503.9 Hz、锥形1894.53 Hz、匙形2792.96 Hz。
     

3. 数值模拟

   • 基于试验数据建立三种熔池小孔的几何模型（图3-图5）。
     
   • 采用比利时LMS公司的SYSNOISE软件求解Helmholtz方程，模拟小孔振动发声过程。
     
   • 边界条件设定：考虑熔池小孔内部混合气体喷射速度与焊接速度的关系（式5-8），加载动态压力梯度。
     

4. 结果验证

   • 数值计算得到的共振频率与试验结果误差在5%以内：平底形1453.125 Hz、锥形1890.625 Hz、匙形2750 Hz。
     

主要结果
1. 声信号特征
- 焊接速度增加（3 cm/s→5 cm/s），声压幅值显著增大（图10），共振频率升高（图11）。
- 频谱分析表明，声信号的峰值频率与小孔形状直接相关。

1. 数值模拟与试验一致性

   • 模拟结果成功复现了试验中观察到的声场分布（图13），验证了模型的准确性。
     

2. 机理分析

   • 熔池小孔振动源于内部压力动态平衡：混合气体喷射导致压力波动，熔体金属在重力和表面张力作用下试图闭合小孔，而激光能量持续输入维持小孔开放（图2）。
     
   • 几何形状影响声波反射与折射，导致不同共振频率。
     

结论与意义
1. 理论价值
- 首次通过数值模拟量化了熔池小孔形状与声信号的关系，揭示了声信号产生的物理机制。
- 建立的模型为激光焊接质量监测提供了可量化的声学指标。

1. 应用价值
   
   • 通过声信号实时监测熔池小孔状态，可优化焊接工艺参数（如速度、功率）。
     
   • 为非接触式焊接质量检测技术开发奠定基础。
     

研究亮点
1. 创新方法
- 结合试验与数值模拟，首次系统分析了熔池小孔发声机理。
- 采用SYSNOISE软件求解复杂声场问题，精度达工程应用要求。

1. 重要发现
   
   • 焊接速度通过改变小孔几何形状影响声信号特征，这一规律为工艺优化提供了新依据。
     

其他价值
- 研究结果可扩展至其他高能束焊接（如电子束焊）的声学监测。
- 论文引用的多篇文献（如Kroos等对小孔动力学的研究）为本工作提供了扎实的理论支撑。