TSEP2025 I 东北林业大学I 激光振荡模式下镁铝合金接头熔池-气孔行为及气泡捕获-逸出机理研究!

Thermal Science and Engineering Progress｜5.1｜中科院2区｜ Q1｜

导读 

本研究针对镁合金低沸点特性引发的气孔缺陷问题，建立了镁/铝合金振荡激光焊接的三维瞬态流固耦合模型，揭示了不同振荡模式下熔池-小孔动态行为及气泡捕获-逃逸机制。研究结果表明：圆形振荡形成双"V"形熔池形貌；8字形振荡因轨迹转折点速度突变形成双涡流流场，小孔深度波动显著但流速稳定性更优；无限形振荡导致熔池纵向显著延伸，并沿小孔中轴线形成高梯度速度区。研究提出两种气泡捕获机制：其一为固-液界面下移过程中的垂直接触捕获，其二为小孔振荡幅度持续超越气泡上浮速度时发生的侧向接触捕获。同时，气泡逃逸源于凸面壁非均匀热辐射诱发的小孔拉伸-收缩剪切断裂。无限形振荡模式因其更大的横向振幅（L1）和更高的瞬时速度（Vs），表现出最佳的气孔抑制效果，为以镁合金为基体的异种接头气泡缺陷抑制提供了理论依据。

主要图表

图1.镁/铝振荡激光焊接搭接接头示意图：(a)X-Y平面；(b)Z-Y平面；(c)熔池-键孔界面：Pr为汽化金属的回弹压力，Pl为液态金属的表面张力，Pv为移动光源（激光搅拌）产生的动压，Pd为熔融金属的电阻。

图2. 激光能量的高斯分布（归一化）：(a) 三维视图；(b) 上视图。

图3. 无振荡线性焊接模式下的激光能量分布：(a)俯视图；(b)三维视图。

图4. 振荡焊接模式下的激光能量分布（A = 2.0 mm、f = 100 Hz）：（a-c）圆形振荡模式、8形振荡模式、无限振荡模式；（1–3）按轨迹推导顺序，俯视图、三维图。

图5. 不同振荡模式下焊缝轮廓特征分析：(a) A=1.8 mm焊缝宏观轮廓；(b) A=2.0 mm焊缝宏观轮廓；(c) A=2.2 mm焊缝宏观轮廓；(d) 焊缝高度轮廓变化曲线图。

图6. 几何建模与网格划分。

图7. 模拟结果与实验结果的对比：(a) 圆形振荡；(b) 8形振荡；(c) 无限振荡；(d) 半熔宽ws误差统计；(e) 熔深ds误差统计；(f) 误差率统计。

图8. 圆形振荡模式下不同时刻的熔池-钥匙孔剖面（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）：（a-f）三维熔池-钥匙孔剖面；(g) 熔池面积；(h) 钥匙孔深度。

图9. 8型振荡模式下不同时刻的熔池-键孔剖面（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）：（a-f）三维熔池-键孔剖面；(g) 熔池面积；(h) 键孔深度。

图10. 无限振荡模式下不同时刻的熔池-键孔剖面（A = 2.0 mm、f = 100 Hz）：（a-f）三维熔池-键孔剖面；(g) 熔池面积；(h) 键孔深度。

图11. 不同振荡模式下的瞬时速度分布（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）：(a) 圆形振荡；(b) 8形振荡；(c) 无限振荡。

图12. 圆形振荡模式下熔池表面流场随时间变化的示意图（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）。

图13. 8字形模式下熔池表面流场在不同时刻的变化（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）

图14. 无限振荡模式下熔池表面流场在不同时刻的变化（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）。

图15. 圆形振荡模式下熔池-键孔压力分布（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）不同时刻的分布情况。

图16. 8型振荡模式下熔池-键孔压力分布（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）不同时刻的分布情况。

图17. 圆形振荡模式下不同时刻的纵向截面流动特性（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）。

图18. 8型振荡模式下不同时刻的纵向截面流动特性（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）。

图19. 无限振荡模式下不同时刻的纵向截面流动特性（A = 2.0 mm，f = 100 Hz）。

图20. 不同时刻的键孔-气泡相互作用。

图21. 气泡逸出现象在不同截面视图中的动态捕捉。

图22. 气泡逸出与捕获机制示意图：(a) 凸起、隆起及凹陷的形成；(b) 气泡逸出行为；(c) 气泡捕获行为。

图23. 另一气泡捕获行为的三维流线图。

图24. 另一种气泡捕获行为的机制示意图：L1表示振荡的横向振幅，R1表示键孔的宽度，Vs、Vs1和Vs2分别表示激光在不同时间点的瞬时速度，Vb、Vb1和Vb2则表示气泡在不同时间点的漂浮速度。

图25. 不同振荡模式下的孔隙率：(a) 圆形；(b) 8形；(c) 无限形。

主要结论

通过仿真软件，量化了不同振荡模式下的能量场分布，建立了三维流固耦合模型，研究了镁合金/铝合金振荡激光焊接过程中的熔池流动行为，最终阐释了振荡模式下的气泡捕获-逃逸行为，得到以下结论：

（1）相较于非振荡直线焊接模式，振荡焊接显著降低了能量集中程度。圆形、8字形及无限形振荡模式下单位面积峰值能量分别降低了81.21%、78.17%和75.64%，有效缓解了能量梯度分布问题。

（2）熔池温度-流场分布受马兰戈尼效应、反冲压力等多因素影响。在无限形振荡模式下，熔池呈现显著纵向延伸，且沿小孔中心轴形成高梯度速度带，其速度梯度显著大于其他两种振荡模式。

（3）气泡逃逸行为主要源于小孔壁面凸起导致固液界面热辐射不均，引发小孔先纵向伸长，再因熔池回流作用收缩，最终被“撕裂”。

（4）第一类气泡捕获行为发生于固液界面下移且小孔垂直接触气泡时；第二类捕获行为则在小孔振荡幅度始终大于气泡上浮幅度的条件下，使小孔得以横向接触气泡。

（5）无限形振荡模式通过扩大小孔运动横向振幅（L1）与提高瞬时速度（Vs）提升了捕获效率。对于镁合金/铝合金接头，无限形振荡模式表现出最佳气孔抑制效果，其孔隙率低于圆形与8字形振荡模式。

主要信息

Investigation of molten pool-keyhole behavior and bubble captured-escape  mechanism in Mg/Al alloy joints under oscillating laser mode

https://doi.org/10.1016/j.tsep.2025.104409

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