目前，激光束焊接是許多工業(yè)應用中廣泛使用的一種連接技術。這主要是由于其許多獨特的優(yōu)勢，特別是與傳統(tǒng)的電弧焊接工藝相比。這些優(yōu)點包括高度集中的能量沉積，低總熱輸入和深入材料的能力，同時只造成很小的焊接變形。同時，激光光斑的小尺寸、高凝固率和焊池本身的小尺寸會引起工件的裝配公差，熱裂紋現(xiàn)象以及由鍵孔引起的氣泡從熔體中逸出等問題。

　　激光束焊接中的熔池形狀在熔體中的主要驅動力（如反沖壓力和表面張力）的作用下，在外部自由表面延長，而在熔池的內(nèi)部區(qū)域縮短。這導致從內(nèi)部區(qū)域到自由表面形成了有規(guī)律的凝固順序，例如在部分熔透焊接中從底部到頂部。然而，來自德國聯(lián)邦材料研究與檢測研究所（BAM）的研究人員通過實驗和數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，可能會出現(xiàn)內(nèi)部變窄現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通常伴隨著更深區(qū)域的焊縫明顯凸起（見圖1）。

　　由于在這個過程中，熔體的內(nèi)部行為很難通過光學手段獲得，因此建立數(shù)值模型和實驗技術，以可視化鼓起和變窄現(xiàn)象的形成機制，對揭示其對凝固順序、孔隙形成和填充金屬稀釋的影響，會有所幫助。

　　結果

　　研究團隊描述的非典型熔池形狀可以在圖1b 和1c 中看到，10mm 厚的AISI 304 使用1.1mm 厚的NiCr20Mo15 填充焊絲進行焊接。熔池上部區(qū)域由切向馬蘭戈尼力主導，由于較熱的匙孔區(qū)域和熔池后部相對較冷的區(qū)域之間的溫度梯度較高，導致了伸長現(xiàn)象。因此，在匙孔的正后方形成了順時針方向的渦流。相反，在熔池底部區(qū)域，由于激光能量的強烈局部吸收，熔體流動由蒸發(fā)過程主導。

　　激光能量經(jīng)歷了多次反射事件，每次都將部分射線能量轉移到熔體中，最終導致蒸發(fā)引起的反沖壓力的不連續(xù)分布和不穩(wěn)定的鎖孔特征。那里的主要渦流方向是逆時針的。與上層焊池區(qū)域的流動方向相結合，在焊池的一半深度左右形成一個狹窄區(qū)。在這個縮頸區(qū)，由于那里的溫度梯度相對較低，所以粘稠區(qū)變得異常厚。特別是在6 毫米以上的較高焊接試樣厚度中，可以觀察到這種現(xiàn)象。焊縫中間區(qū)域的這種變窄現(xiàn)象導致了凝固順序，與部分滲透焊接中從底部到頂部、從側面到焊縫中心的標準凝固方向不同（見圖2a）。凝固首先發(fā)生在焊池中間，留下頂部和底部的液體區(qū)域。

　　底部剩余的熔體不能平衡凝固過程中產(chǎn)生的拉伸應變，這大大增加了局部對熱裂紋的敏感性。注意這里剩余液體的相應位置在圖2a 中的凝固序列中的相應位置，以及圖1b 和1c 中的凸起。

　　在對不同奧氏體不銹鋼等級和非合金結構材料的研究中，以及對不同的板厚、全穿透和部分穿透情況，以及對不同的光纖和圓盤激光系統(tǒng)的焊接，都可以觀察到類似的現(xiàn)象。

　　熔池變窄的另一個后果是對流場的直接阻擋作用。數(shù)值結果表明，對熔體均勻混合至關重要的垂直流速，顯著降低。因此，液態(tài)填充金屬從頂部進入焊接過程，例如由冷絲帶入，不能到達焊池的底部區(qū)域。

　　焊池中的狹窄區(qū)域對最終焊縫中的剩余氣孔也有不利的影響。如前所述，匙孔的尖端往往通過周期性的塌陷和重新打開而產(chǎn)生氣泡。當這些氣泡的逃逸路線被阻斷時，它們就會相應地被困于焊池下部的凸起區(qū)域，從而使它們到達焊池表面的機會大大降低，成為剩余的氣孔，見圖2c。

　　熔體中不同再循環(huán)區(qū)之間的邊界導致糊狀區(qū)的擴展，從而導致不典型的凝固序列。因此，由于剩余的局部液體區(qū)域對張力的抵抗力較低，因此可以引發(fā)熱裂紋的形成。

　　變窄的另一個影響是，通過堵塞垂直流動路徑，在焊縫厚度方向上添加的填充焊絲不均勻混合，導致最終焊縫的機械性能惡化。研究還表明，這種堵塞不僅降低了稀釋填充材料到達較低熔池區(qū)域的能力，而且由于小孔尖端的不穩(wěn)定性，氣泡也會被截留，然后在凝固過程中被凍結為孔隙。

　　由于觀察結果特別是在6 毫米以上的厚度范圍內(nèi)進行的，我們的結論可能特別適用于石油和天然氣、造船和航空航天行業(yè)的焊接應用，以及厚壁管道或起重機結構的焊接。所研究的影響可能導致焊接缺陷，這些缺陷在加工過程中無法通過光學手段獲得，并可能在后期導致部件故障。

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