光纖激光焊接中匙孔前壁激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)中，焊接技術(shù)作為一種關(guān)鍵的材料連接方法，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子設(shè)備等眾多領(lǐng)域。光纖激光焊接技術(shù)作為一種新興的焊接方法，憑借其高能量密度、高精度、非接觸式加工以及可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢，近年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，光纖激光焊接技術(shù)可用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、燃燒室等關(guān)鍵部件，能夠有效提高部件的強(qiáng)度和可靠性，同時(shí)減輕部件重量，從而提升飛機(jī)的性能；在汽車制造領(lǐng)域，該技術(shù)可用于車身框架的焊接，能夠提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)。然而，在光纖激光焊接過程中，焊接飛濺的產(chǎn)生是一個(gè)普遍存在且亟待解決的問題。焊接飛濺不僅會(huì)降低焊接效率，增加生產(chǎn)成本，還會(huì)對焊接質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，如導(dǎo)致焊縫表面不平整、出現(xiàn)氣孔和裂紋等缺陷，進(jìn)而影響焊接接頭的力學(xué)性能和使用壽命。在電子設(shè)備制造中，微小的飛濺顆粒可能會(huì)落入精密電子元件中，引發(fā)短路等故障，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。焊接飛濺還會(huì)對工作環(huán)境造成污染，危害操作人員的身體健康。在焊接過程中，飛濺的金屬顆粒和煙塵會(huì)散布在空氣中，操作人員長期吸入這些有害物質(zhì)，可能會(huì)引發(fā)呼吸道疾病等健康問題。在光纖激光焊接過程中，小孔的形成是實(shí)現(xiàn)深熔焊接的關(guān)鍵。當(dāng)高能量密度的激光束照射到工件表面時(shí)，材料迅速吸收激光能量，溫度急劇升高，使得材料瞬間熔化和汽化，形成一個(gè)充滿金屬蒸汽的小孔。小孔周圍的液態(tài)金屬在蒸汽壓力和表面張力的作用下形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的熔池。而激光致蒸汽是焊接過程中的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，激光能量被材料吸收后，使材料迅速熔化和汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽。這些蒸汽對焊接過程中的飛濺行為有著至關(guān)重要的影響。深入研究激光致蒸汽對飛濺行為的影響規(guī)律，對于理解焊接過程中的物理現(xiàn)象，揭示飛濺產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。通過掌握這一規(guī)律，能夠?yàn)閮?yōu)化焊接工藝參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)，從而有效減少焊接飛濺的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1光纖激光焊接技術(shù)的研究進(jìn)展光纖激光焊接技術(shù)自問世以來，一直是焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，隨著激光器功率的不斷提高以及光束質(zhì)量的優(yōu)化，光纖激光焊接在焊接速度、焊接深度和焊接質(zhì)量等方面取得了顯著的進(jìn)步。在焊接速度方面，高功率光纖激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)高速焊接，大大提高了生產(chǎn)效率。德國的一些研究機(jī)構(gòu)通過優(yōu)化激光參數(shù)和焊接工藝，在對薄鋼板的焊接中，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)數(shù)米每分鐘的焊接速度，這在汽車制造等對生產(chǎn)效率要求極高的行業(yè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在焊接深度上，萬瓦級光纖激光焊接技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)對中厚板的深熔焊接。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用萬瓦級光纖激光，成功實(shí)現(xiàn)了對厚板材料的焊接，獲得了具有較大深寬比的焊縫，為解決艦艇、核電等重大領(lǐng)域中厚板優(yōu)質(zhì)高效加工提供了技術(shù)支持。在焊接質(zhì)量研究方面，學(xué)者們主要關(guān)注焊縫的微觀組織和力學(xué)性能。日本的研究人員通過對焊接接頭微觀組織的分析，發(fā)現(xiàn)激光焊接過程中的快速冷卻會(huì)導(dǎo)致焊縫組織細(xì)化，從而提高焊縫的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也可能增加焊縫的脆性。國內(nèi)的一些研究則聚焦于焊接工藝參數(shù)對焊縫力學(xué)性能的影響，通過調(diào)整激光功率、焊接速度和離焦量等參數(shù)，優(yōu)化焊縫的拉伸強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)。1.2.2焊接飛濺行為的研究現(xiàn)狀焊接飛濺行為的研究對于提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率至關(guān)重要，多年來受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在飛濺的產(chǎn)生機(jī)理方面，目前的研究認(rèn)為，焊接飛濺主要源于熔滴過渡過程中的不穩(wěn)定以及熔池的劇烈波動(dòng)。在CO?氣體保護(hù)焊中，熔滴自由過渡時(shí)，斑點(diǎn)壓力會(huì)使熔滴上撓，形成大滴狀飛濺；而在細(xì)顆粒過渡時(shí)，飛濺主要產(chǎn)生在熔滴與焊絲之間的縮頸處，由于電流密度過大導(dǎo)致金屬過熱爆斷。在激光焊接中，匙孔的不穩(wěn)定是導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生的重要原因之一。當(dāng)匙孔壁發(fā)生坍塌時(shí)，會(huì)將熔池中的液態(tài)金屬噴射出去，形成飛濺。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過高速攝像技術(shù)，對激光焊接過程中的匙孔動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)匙孔的劇烈波動(dòng)與焊接參數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)激光功率過高或焊接速度過快時(shí)，匙孔更容易失穩(wěn)，從而增加飛濺的產(chǎn)生概率。關(guān)于飛濺的檢測與控制方法，國內(nèi)外也開展了大量的研究。在檢測方面，常用的技術(shù)包括高速攝像、光譜分析和聲學(xué)檢測等。高速攝像可以直觀地記錄飛濺的產(chǎn)生過程和形態(tài)，光譜分析則能夠通過檢測飛濺顆粒的光譜特征來獲取其成分和溫度信息，聲學(xué)檢測可以根據(jù)飛濺產(chǎn)生時(shí)的聲音信號來判斷飛濺的程度。在控制方面，主要通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、改進(jìn)焊接設(shè)備以及采用外部輔助措施等方法來減少飛濺。例如，通過調(diào)整激光功率、焊接速度和離焦量等參數(shù)，使焊接過程更加穩(wěn)定，從而降低飛濺的產(chǎn)生；采用脈沖激光焊接技術(shù)，能夠有效地控制熔滴過渡，減少飛濺；此外，在焊接過程中施加外部磁場或氣流，也可以對熔池和匙孔進(jìn)行調(diào)控，抑制飛濺的產(chǎn)生。1.2.3激光致蒸汽對焊接過程影響的研究現(xiàn)狀激光致蒸汽是光纖激光焊接過程中的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，其對焊接過程的影響逐漸成為研究的重點(diǎn)。目前的研究表明，激光致蒸汽會(huì)對激光能量的傳輸和吸收產(chǎn)生影響。當(dāng)激光束照射到工件表面時(shí)，材料迅速汽化形成蒸汽羽輝，蒸汽羽輝中的金屬原子會(huì)對激光產(chǎn)生散射和吸收作用，從而降低激光能量到達(dá)工件表面的效率，影響焊接過程的穩(wěn)定性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)蒸汽羽輝的濃度和溫度分布會(huì)隨著激光功率和焊接速度的變化而改變，進(jìn)而影響激光的穿透深度和焊接熔池的形態(tài)。激光致蒸汽還會(huì)對熔池和匙孔的行為產(chǎn)生作用。蒸汽的反沖壓力會(huì)作用在熔池表面，影響熔池的流動(dòng)和形態(tài)，同時(shí)也會(huì)對匙孔的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)蒸汽反沖壓力過大時(shí)，匙孔可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)張或坍塌，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，增加飛濺的產(chǎn)生。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析，揭示了蒸汽反沖壓力與匙孔穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為控制焊接過程中的飛濺提供了理論依據(jù)。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足目前，國內(nèi)外在光纖激光焊接技術(shù)、焊接飛濺行為以及激光致蒸汽對焊接過程影響等方面取得了豐碩的研究成果，但仍存在一些不足之處。在光纖激光焊接技術(shù)方面，對于高功率激光焊接過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如多物理場耦合作用下的熔池和匙孔行為，尚未完全明晰，這限制了對焊接過程的精確控制和焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高。在焊接飛濺行為研究中，雖然已經(jīng)提出了多種飛濺產(chǎn)生機(jī)理和控制方法，但由于焊接過程的復(fù)雜性，不同機(jī)理之間的相互關(guān)系以及在實(shí)際焊接過程中的主導(dǎo)作用尚未完全明確，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同材料和焊接工藝條件，難以準(zhǔn)確預(yù)測和有效控制飛濺的產(chǎn)生。在激光致蒸汽對焊接過程影響的研究中，雖然已經(jīng)認(rèn)識到激光致蒸汽對激光能量傳輸、熔池和匙孔行為的重要作用，但對于激光致蒸汽與飛濺行為之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用機(jī)制，研究還不夠深入和系統(tǒng)。特別是在小孔前壁激光致蒸汽對飛濺行為的影響規(guī)律方面，目前的研究還存在空白，缺乏全面、深入的研究，這對于深入理解焊接過程中的物理現(xiàn)象，進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝，減少焊接飛濺具有重要的制約作用。本文旨在填補(bǔ)小孔前壁激光致蒸汽對飛濺行為影響規(guī)律研究的空白，通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究激光致蒸汽的產(chǎn)生機(jī)制、傳輸特性以及其與飛濺行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示激光致蒸汽對飛濺行為的影響規(guī)律，為光纖激光焊接工藝的優(yōu)化和焊接質(zhì)量的提高提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究光纖激光焊接小孔前壁激光致蒸汽對飛濺行為的影響規(guī)律，具體研究內(nèi)容如下：激光致蒸汽特性研究：采用高速攝影、光譜分析等實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究激光致蒸汽的產(chǎn)生機(jī)制、溫度分布、速度分布以及蒸汽羽輝的形態(tài)和尺寸等特性。分析激光功率、焊接速度、離焦量等焊接工藝參數(shù)對激光致蒸汽特性的影響規(guī)律，建立激光致蒸汽特性與焊接工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系。通過高速攝影技術(shù)，捕捉激光致蒸汽產(chǎn)生瞬間的動(dòng)態(tài)過程，獲取蒸汽羽輝的形成和發(fā)展過程的圖像信息，從而分析其形態(tài)和尺寸的變化規(guī)律；利用光譜分析技術(shù)，測量蒸汽中不同元素的光譜特征，確定蒸汽的成分和溫度分布。在數(shù)值模擬方面，建立考慮激光與物質(zhì)相互作用、能量傳輸以及蒸汽動(dòng)力學(xué)的多物理場耦合模型，通過模擬計(jì)算，深入研究激光致蒸汽的產(chǎn)生和傳輸機(jī)制，預(yù)測不同焊接工藝參數(shù)下激光致蒸汽的特性。飛濺行為的表征與分析：通過高速攝像技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄焊接過程中的飛濺行為，獲取飛濺顆粒的大小、數(shù)量、速度、軌跡以及飛濺產(chǎn)生的時(shí)間和頻率等信息。對飛濺行為進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)分析，研究不同焊接工藝條件下飛濺行為的特征和變化規(guī)律。利用圖像處理技術(shù)，對高速攝像獲取的圖像進(jìn)行分析，精確測量飛濺顆粒的大小和速度；通過對大量圖像的統(tǒng)計(jì)分析，確定飛濺顆粒的數(shù)量分布和軌跡特征，從而深入了解飛濺行為的規(guī)律。激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制研究：從力學(xué)、熱學(xué)和物理化學(xué)等角度，深入分析激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制。研究蒸汽反沖壓力、蒸汽溫度和濃度等因素對熔池和匙孔穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而揭示其與飛濺產(chǎn)生之間的內(nèi)在聯(lián)系。建立激光致蒸汽與飛濺行為之間的耦合模型，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，定量分析激光致蒸汽各參數(shù)對飛濺行為的影響程度。考慮蒸汽反沖壓力對熔池表面的作用力，分析其如何導(dǎo)致熔池的波動(dòng)和不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)飛濺；研究蒸汽溫度和濃度對材料蒸發(fā)和凝固過程的影響，以及這種影響如何間接導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。通過建立耦合模型，將激光致蒸汽的特性與飛濺行為的參數(shù)聯(lián)系起來，通過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定各因素對飛濺行為的影響權(quán)重和作用方式?；诩す庵抡羝{(diào)控的飛濺抑制方法研究：根據(jù)激光致蒸汽對飛濺行為的影響規(guī)律，提出基于激光致蒸汽調(diào)控的飛濺抑制方法。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、施加外部輔助場（如磁場、氣流場等）等手段，調(diào)控激光致蒸汽的特性，從而有效抑制焊接飛濺的產(chǎn)生。對提出的飛濺抑制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，評估其抑制效果，為實(shí)際生產(chǎn)中的焊接工藝優(yōu)化提供技術(shù)支持。在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)方面，通過大量的實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，確定最佳的激光功率、焊接速度和離焦量等參數(shù)組合，使得激光致蒸汽的特性處于有利于減少飛濺的狀態(tài)；在施加外部輔助場方面，研究不同強(qiáng)度和方向的磁場、氣流場對激光致蒸汽和飛濺行為的影響，確定最佳的輔助場參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對飛濺的有效抑制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對比采用飛濺抑制方法前后的飛濺情況，評估抑制方法的有效性和可靠性。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法：實(shí)驗(yàn)研究：搭建光纖激光焊接實(shí)驗(yàn)平臺，配備高速攝像系統(tǒng)、光譜分析儀、紅外測溫儀等先進(jìn)的測試設(shè)備，用于觀測焊接過程中的各種物理現(xiàn)象，測量激光致蒸汽和飛濺行為的相關(guān)參數(shù)。設(shè)計(jì)一系列焊接實(shí)驗(yàn)，改變激光功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)，研究不同參數(shù)條件下激光致蒸汽特性和飛濺行為的變化規(guī)律。對焊接后的試件進(jìn)行宏觀和微觀檢測，分析焊縫成形質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能，評估焊接飛濺對焊接質(zhì)量的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過高速攝像系統(tǒng)，以高幀率拍攝焊接過程，捕捉激光致蒸汽和飛濺的瞬間動(dòng)態(tài)；利用光譜分析儀，實(shí)時(shí)測量蒸汽羽輝的光譜，獲取蒸汽的成分和溫度信息；使用紅外測溫儀，測量焊接過程中工件表面的溫度分布，為分析提供數(shù)據(jù)支持。對焊接后的試件，采用金相顯微鏡觀察微觀組織，通過拉伸試驗(yàn)、硬度測試等方法評估力學(xué)性能。數(shù)值模擬：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、傳熱學(xué)和電磁學(xué)等多物理場耦合理論，建立光纖激光焊接過程的數(shù)值模型。在模型中考慮激光能量的吸收、傳輸和轉(zhuǎn)換，材料的熔化、汽化和凝固，蒸汽的產(chǎn)生、流動(dòng)和擴(kuò)散，以及熔池和匙孔的動(dòng)態(tài)行為等因素。通過數(shù)值模擬，預(yù)測不同焊接工藝參數(shù)下激光致蒸汽的特性和飛濺行為，分析各種物理現(xiàn)象之間的相互作用機(jī)制。對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀展示焊接過程中的物理過程和參數(shù)分布，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和參考。利用商業(yè)CFD軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，建立多物理場耦合模型。在模型中，精確設(shè)定材料的熱物理性質(zhì)、激光的能量分布和邊界條件等參數(shù)，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模擬計(jì)算，得到不同焊接工藝參數(shù)下的溫度場、速度場、壓力場等信息，分析激光致蒸汽和飛濺行為的變化規(guī)律。對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，生成云圖、矢量圖等可視化圖像，直觀展示物理過程和參數(shù)分布。理論分析：結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，從理論上分析激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制。運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)和材料科學(xué)等相關(guān)理論，建立數(shù)學(xué)模型，描述激光致蒸汽與飛濺行為之間的定量關(guān)系。對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和分析，得到影響飛濺行為的關(guān)鍵因素和參數(shù)，為焊接工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)?；诹黧w力學(xué)的基本方程，如Navier-Stokes方程，建立熔池和蒸汽的流動(dòng)模型；根據(jù)熱力學(xué)原理，建立能量守恒方程，分析激光能量的吸收和轉(zhuǎn)換過程；運(yùn)用材料科學(xué)的知識，考慮材料的熔化、汽化和凝固特性，建立材料相變模型。將這些模型進(jìn)行耦合，建立描述激光致蒸汽與飛濺行為之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過對數(shù)學(xué)模型的求解和分析，得到影響飛濺行為的關(guān)鍵因素，如蒸汽反沖壓力、熔池表面張力等，并確定這些因素與焊接工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系，為焊接工藝的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。二、光纖激光焊接基本原理與飛濺現(xiàn)象2.1光纖激光焊接原理光纖激光焊接技術(shù)是一種基于高能量密度激光束與材料相互作用的先進(jìn)焊接方法，其原理涉及到激光的產(chǎn)生、傳輸以及與材料的復(fù)雜相互作用過程。2.1.1光纖激光的產(chǎn)生與傳輸光纖激光器的工作原理基于受激輻射理論。在光纖激光器中，增益介質(zhì)通常是摻雜稀土元素（如鐿、鉺、銩等）的玻璃光纖。以摻鐿光纖激光器為例，泵浦源（一般為高功率半導(dǎo)體激光器）發(fā)射特定波長的泵浦光，通過光纖耦合器等光學(xué)元件耦合進(jìn)入摻鐿光纖。泵浦光的光子能量被摻鐿光纖中的鐿離子吸收，使鐿離子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的鐿離子受到外界光子的刺激時(shí)，會(huì)向基態(tài)躍遷，并發(fā)射出與入射光子特性相同的光子，這就是受激輻射過程。這些受激輻射產(chǎn)生的光子在光纖諧振腔內(nèi)不斷往返振蕩，經(jīng)過多次放大后，當(dāng)滿足一定的閾值條件時(shí)，便形成穩(wěn)定的激光輸出。光纖激光在傳輸過程中，主要依賴于光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光纖通常由纖芯和包層組成，纖芯的折射率略高于包層。根據(jù)光的全反射原理，當(dāng)激光在纖芯中傳輸時(shí)，在纖芯與包層的交界面處，光線會(huì)發(fā)生全反射，從而被約束在纖芯內(nèi)部向前傳播，即使光纖發(fā)生彎曲，光線也不會(huì)輕易射出光纖之外。這種特性使得光纖能夠高效地傳輸激光能量，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、靈活的激光傳輸，為激光焊接的應(yīng)用提供了便利條件。單模光纖由于其中心玻璃芯較細(xì)（芯徑一般為9或10μm），只能傳輸一種模式的光，模間色散很小，適合遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量的激光傳輸，在高功率光纖激光焊接中應(yīng)用廣泛；多模光纖的中心玻璃芯較粗（50或62.5μm），可傳輸多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸距離相對較近，一般用于一些對傳輸距離要求不高、功率需求相對較低的場合。2.1.2激光與材料的相互作用過程當(dāng)光纖激光束照射到材料表面時(shí)，激光與材料之間會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理過程，主要包括熱傳導(dǎo)、熔化、汽化等階段。熱傳導(dǎo)階段：在激光作用的初始階段，由于激光能量密度相對較低，材料主要通過熱傳導(dǎo)的方式吸收激光能量。激光光子與材料中的電子相互作用，電子吸收光子能量后躍遷到高能級，處于激發(fā)態(tài)的電子再與晶格中的原子（或離子）碰撞，將能量傳遞給晶格，使晶格振動(dòng)加劇，從而導(dǎo)致材料溫度升高。在這個(gè)階段，材料表面的溫度升高相對較慢，熱量主要在材料表面淺層區(qū)域傳導(dǎo)，尚未發(fā)生明顯的相變。熔化階段：隨著激光能量的持續(xù)輸入，材料表面溫度不斷升高。當(dāng)溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，材料開始熔化，在材料表面形成熔池。此時(shí)，激光能量不僅用于提高材料溫度，還用于克服材料的熔化潛熱。熔池中的液態(tài)金屬在表面張力和重力的作用下，會(huì)形成一定的形狀和流動(dòng)狀態(tài)。熔池的形狀和尺寸受到激光功率、光斑尺寸、作用時(shí)間等因素的影響。較高的激光功率和較小的光斑尺寸會(huì)使熔池溫度升高更快，熔池尺寸相對較小但深度較大；而較長的作用時(shí)間則會(huì)使熔池有更多的時(shí)間擴(kuò)展，尺寸相應(yīng)增大。汽化階段：當(dāng)激光能量進(jìn)一步增強(qiáng)，材料表面溫度繼續(xù)升高到沸點(diǎn)時(shí)，材料開始汽化，產(chǎn)生金屬蒸汽。金屬蒸汽的產(chǎn)生對焊接過程產(chǎn)生重要影響，它會(huì)形成反沖壓力作用在熔池表面，改變?nèi)鄢氐牧鲃?dòng)狀態(tài)和形狀。金屬蒸汽還會(huì)對激光產(chǎn)生散射和吸收作用，影響激光能量的傳輸和吸收效率。在高功率激光焊接中，大量的金屬蒸汽形成蒸汽羽輝，蒸汽羽輝中的等離子體對激光的吸收和散射作用更為顯著，會(huì)導(dǎo)致激光能量在傳輸過程中的衰減，進(jìn)而影響焊接的穩(wěn)定性和熔深。2.1.3深熔焊接與匙孔效應(yīng)當(dāng)激光功率密度足夠高（通常大于10^6W/cm^2）時(shí)，焊接過程進(jìn)入深熔焊接模式，此時(shí)匙孔效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。在汽化階段，由于金屬蒸汽的反沖壓力足夠大，能夠克服液態(tài)金屬的表面張力和重力，使得熔池表面的液態(tài)金屬被排開，在激光作用區(qū)域形成一個(gè)充滿金屬蒸汽的小孔，即匙孔。匙孔的形成使得激光能量能夠直接進(jìn)入材料內(nèi)部，大大提高了激光能量的吸收效率，從而實(shí)現(xiàn)深熔焊接。隨著激光束與工件的相對運(yùn)動(dòng)，匙孔呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征。在焊接過程中，匙孔前沿是激光的主要作用區(qū)，溫度高，金屬蒸汽壓力大；而后沿溫度相對較低，蒸汽壓力較小。在這種壓力差和溫度差的作用下，熔融液體繞小孔周邊由前端向后端流動(dòng)，并在小孔后端形成一個(gè)旋渦，最后在后沿處凝固，形成焊縫。匙孔的深度和穩(wěn)定性直接影響著焊縫的熔深和質(zhì)量。當(dāng)匙孔穩(wěn)定時(shí)，能夠獲得深而窄的焊縫，焊縫深寬比可達(dá)12:1甚至更高；而當(dāng)匙孔不穩(wěn)定時(shí)，如發(fā)生坍塌或波動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷。激光能量密度、焊接速度、離焦量等焊接工藝參數(shù)對匙孔的形成和穩(wěn)定性有著重要影響。較高的激光能量密度會(huì)使匙孔更容易形成且深度增加；焊接速度過快可能導(dǎo)致匙孔來不及穩(wěn)定形成，容易引發(fā)匙孔坍塌和飛濺；合適的離焦量可以優(yōu)化激光能量的分布，有利于匙孔的穩(wěn)定和焊縫的成形。2.2飛濺現(xiàn)象及其危害在光纖激光焊接過程中，飛濺是一種常見且不容忽視的現(xiàn)象，對焊接質(zhì)量、焊接設(shè)備以及工作環(huán)境都有著諸多不利影響。2.2.1飛濺的形態(tài)與產(chǎn)生過程焊接飛濺通常呈現(xiàn)出多種形態(tài)，主要包括細(xì)小的金屬顆粒和較大的熔滴。這些飛濺物的尺寸范圍跨度較大，細(xì)小的金屬顆粒直徑可能在幾十微米左右，而較大的熔滴直徑則可達(dá)數(shù)毫米。在實(shí)際焊接過程中，飛濺物的形態(tài)還會(huì)受到焊接工藝參數(shù)、材料特性等因素的影響。當(dāng)焊接電流較大時(shí)，飛濺顆?？赡軙?huì)因過熱而呈現(xiàn)出更不規(guī)則的形狀，甚至可能會(huì)出現(xiàn)部分顆粒相互粘連的情況；而在焊接速度較快時(shí)，飛濺顆?？赡軙?huì)被高速噴射出去，形成較為細(xì)長的軌跡。飛濺的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，與焊接過程中的多個(gè)物理現(xiàn)象密切相關(guān)。在光纖激光焊接中，當(dāng)激光束照射到工件表面時(shí)，材料迅速吸收激光能量，溫度急劇升高，材料開始熔化和汽化，形成金屬蒸汽。金屬蒸汽的反沖壓力會(huì)作用在熔池表面，使熔池產(chǎn)生波動(dòng)。當(dāng)這種波動(dòng)超過一定限度時(shí)，熔池中的液態(tài)金屬就會(huì)被拋射出去，形成飛濺。匙孔的不穩(wěn)定也是導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生的重要原因。在深熔焊接過程中，匙孔的形成和維持對于焊接的穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，由于激光能量的波動(dòng)、蒸汽羽輝的干擾以及熔池的流動(dòng)等因素，匙孔可能會(huì)發(fā)生坍塌或劇烈波動(dòng)。當(dāng)匙孔坍塌時(shí)，會(huì)將周圍的液態(tài)金屬擠出，從而產(chǎn)生大量的飛濺。在焊接過程中，若激光功率突然變化，會(huì)導(dǎo)致匙孔內(nèi)的蒸汽壓力瞬間改變，使得匙孔壁無法承受壓力而坍塌，進(jìn)而引發(fā)飛濺。2.2.2對焊接質(zhì)量的影響焊縫成形：焊接飛濺會(huì)對焊縫成形產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。飛濺物附著在焊縫周圍，會(huì)使焊縫表面變得粗糙不平，破壞了焊縫的美觀性。在一些對表面質(zhì)量要求較高的焊接應(yīng)用中，如汽車車身的焊接，粗糙的焊縫表面不僅影響外觀，還可能會(huì)影響后續(xù)的涂裝工藝，導(dǎo)致涂層附著力下降，降低產(chǎn)品的耐腐蝕性能。飛濺還可能會(huì)導(dǎo)致焊縫寬度不均勻。當(dāng)飛濺物落在焊縫邊緣時(shí)，會(huì)改變焊縫的局部熔池形態(tài)，使得焊縫在這些位置的寬度增加或減小，影響焊縫的幾何形狀精度，降低了焊接接頭的整體質(zhì)量。強(qiáng)度：飛濺的存在還會(huì)降低焊接接頭的強(qiáng)度。一方面，飛濺會(huì)帶走部分熔池中的液態(tài)金屬，導(dǎo)致焊縫金屬的填充不足，形成氣孔、縮孔等缺陷。這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在承受外力時(shí)，容易引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。在航空航天領(lǐng)域，焊接接頭的強(qiáng)度直接關(guān)系到飛行器的安全性，即使是微小的氣孔或縮孔，也可能在飛行過程中引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。另一方面，飛濺物在冷卻凝固后，其組織和性能與焊縫金屬可能存在差異，在焊縫中形成薄弱區(qū)域。這些薄弱區(qū)域在承受載荷時(shí)，容易發(fā)生變形和斷裂，進(jìn)一步削弱了焊接接頭的強(qiáng)度。2.2.3對焊接設(shè)備的影響鏡片污染：在焊接過程中，飛濺產(chǎn)生的金屬顆粒和蒸汽會(huì)彌漫在焊接區(qū)域周圍。這些飛濺物很容易附著在焊接設(shè)備的光學(xué)鏡片上，如聚焦鏡、保護(hù)鏡等。鏡片一旦被污染，會(huì)導(dǎo)致激光束的透過率下降，影響激光的聚焦效果和能量分布。隨著鏡片污染程度的加重，激光束的能量損失會(huì)逐漸增大，焊接過程中的能量密度降低，從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降。鏡片污染還可能會(huì)使激光束發(fā)生散射和折射，改變激光的傳播方向，使得焊接位置出現(xiàn)偏差，影響焊接的精度。其他部件損壞：除了鏡片污染外，飛濺物還可能會(huì)對焊接設(shè)備的其他部件造成損壞。較大的飛濺顆粒在高速噴射過程中，可能會(huì)撞擊到設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，如送絲機(jī)構(gòu)、氣體保護(hù)裝置等，導(dǎo)致這些部件的表面磨損、變形甚至損壞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。飛濺產(chǎn)生的高溫還可能會(huì)對設(shè)備的電子元件造成熱損傷，降低電子元件的使用壽命，增加設(shè)備的故障率和維修成本。2.2.4對工作環(huán)境的影響空氣污染：焊接飛濺會(huì)產(chǎn)生大量的金屬煙塵和有害氣體，如一氧化碳、氮氧化物等，這些物質(zhì)會(huì)對工作環(huán)境的空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。操作人員長期暴露在這種污染環(huán)境中，吸入過多的金屬煙塵和有害氣體，可能會(huì)引發(fā)呼吸道疾病、肺部疾病等健康問題，如塵肺病、呼吸道炎癥等，嚴(yán)重危害操作人員的身體健康。安全隱患：飛濺的金屬顆粒和高溫熔滴還存在一定的安全隱患。它們可能會(huì)引燃周圍的易燃物，引發(fā)火災(zāi)事故。在焊接現(xiàn)場，如果存在易燃的防護(hù)用品、清潔用品或其他易燃材料，飛濺物一旦接觸到這些物品，就可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。飛濺物還可能會(huì)對操作人員的眼睛、皮膚等造成傷害，如燙傷、刺傷等，影響操作人員的工作安全。2.3飛濺形成的影響因素飛濺的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的綜合影響，這些因素涵蓋了材料特性、焊接參數(shù)以及保護(hù)氣體等多個(gè)方面。深入了解這些影響因素，對于揭示飛濺產(chǎn)生的機(jī)制以及采取有效的控制措施具有重要意義。2.3.1材料特性的影響反射率與吸收率：材料的反射率和吸收率是影響激光能量吸收的關(guān)鍵因素，進(jìn)而對飛濺的形成產(chǎn)生影響。不同材料對激光的反射率和吸收率存在顯著差異。對于高反射率的金屬材料，如金、銀、銅等，它們對激光的反射率較高，吸收率較低。在光纖激光焊接過程中，大量的激光能量被反射出去，使得材料吸收的激光能量相對較少，這會(huì)導(dǎo)致材料的熔化和汽化過程不夠充分，從而增加了飛濺產(chǎn)生的可能性。當(dāng)焊接銅材時(shí)，由于其對激光的反射率較高，只有一小部分激光能量能夠被吸收，材料的熔化速度較慢，熔池的穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生飛濺。而對于吸收率較高的材料，如鐵、鎳等，它們能夠更有效地吸收激光能量，材料的熔化和汽化過程較為順利，飛濺產(chǎn)生的概率相對較低。在焊接鋼材時(shí)，鋼材對激光的吸收率較高，能夠快速吸收激光能量并熔化，熔池的形成和維持相對穩(wěn)定，減少了飛濺的產(chǎn)生。熔點(diǎn)：材料的熔點(diǎn)是另一個(gè)重要的特性，它直接影響焊接過程中的熱輸入和熔池的形成。熔點(diǎn)較低的材料在激光作用下更容易熔化，能夠在相對較低的激光功率下實(shí)現(xiàn)焊接。在這種情況下，熔池的溫度相對較低，液態(tài)金屬的粘度較小，流動(dòng)性較好，這使得熔池在受到外界干擾時(shí)更容易發(fā)生波動(dòng)，從而增加了飛濺產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)焊接鋁合金時(shí)，由于鋁合金的熔點(diǎn)較低，在焊接過程中熔池容易受到激光能量波動(dòng)、蒸汽反沖壓力等因素的影響而發(fā)生劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致液態(tài)金屬被拋出形成飛濺。相反，熔點(diǎn)較高的材料需要更高的激光功率來實(shí)現(xiàn)熔化，熔池的溫度較高，液態(tài)金屬的粘度較大，流動(dòng)性相對較差，熔池的穩(wěn)定性相對較好，飛濺產(chǎn)生的可能性相對較小。在焊接高熔點(diǎn)的合金鋼時(shí)，需要較高的激光功率來熔化材料，雖然焊接過程中的熱輸入較大，但由于熔池的穩(wěn)定性較好，飛濺的產(chǎn)生相對較少?；瘜W(xué)成分：材料的化學(xué)成分對飛濺的形成也有著重要的影響。不同的化學(xué)成分會(huì)導(dǎo)致材料在焊接過程中發(fā)生不同的冶金反應(yīng)，從而影響熔池的性質(zhì)和飛濺的產(chǎn)生。材料中的碳、硅、錳等元素含量會(huì)影響熔池的表面張力和粘度。當(dāng)材料中碳含量較高時(shí)，在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO氣體，這些氣體在熔池內(nèi)積聚，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔池發(fā)生劇烈的沸騰和飛濺。材料中的合金元素還會(huì)影響焊縫的凝固過程，進(jìn)而影響飛濺的產(chǎn)生。一些合金元素會(huì)降低焊縫的凝固溫度，使焊縫在冷卻過程中更容易產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致飛濺的形成。在焊接某些高強(qiáng)度合金鋼時(shí)，由于合金元素的作用，焊縫在凝固過程中會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過液態(tài)金屬的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致液態(tài)金屬被擠出形成飛濺。2.3.2焊接參數(shù)的影響激光功率：激光功率是影響焊接過程的關(guān)鍵參數(shù)之一，對飛濺的形成有著顯著的影響。隨著激光功率的增加，材料吸收的激光能量增多，材料的熔化和汽化速度加快，金屬蒸汽的產(chǎn)生量也相應(yīng)增加。這會(huì)導(dǎo)致蒸汽反沖壓力增大，當(dāng)蒸汽反沖壓力超過熔池表面液態(tài)金屬的表面張力和重力時(shí)，就會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬被拋射出去，形成飛濺。在高功率激光焊接中，由于激光功率較高，蒸汽反沖壓力較大，飛濺現(xiàn)象往往較為嚴(yán)重。當(dāng)激光功率過高時(shí)，還可能會(huì)導(dǎo)致匙孔的不穩(wěn)定，匙孔的坍塌和波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步加劇飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)激光功率突然增加時(shí)，匙孔內(nèi)的蒸汽壓力會(huì)瞬間增大，導(dǎo)致匙孔壁無法承受壓力而坍塌，將周圍的液態(tài)金屬擠出形成大量飛濺。然而，當(dāng)激光功率過低時(shí)，材料無法充分熔化和汽化，可能會(huì)導(dǎo)致焊接不完全，出現(xiàn)未熔合等缺陷，同時(shí)也可能會(huì)因?yàn)槿鄢氐牟环€(wěn)定而產(chǎn)生少量飛濺。焊接速度：焊接速度對飛濺的形成也有著重要的影響。當(dāng)焊接速度過快時(shí)，激光作用在材料上的時(shí)間較短，材料吸收的激光能量不足，無法充分熔化和汽化，導(dǎo)致熔池的形成和維持不穩(wěn)定。在這種情況下，匙孔難以穩(wěn)定形成，容易發(fā)生坍塌，從而產(chǎn)生飛濺。焊接速度過快還會(huì)使熔池的冷卻速度加快，液態(tài)金屬的凝固速度也相應(yīng)加快，這會(huì)導(dǎo)致熔池內(nèi)的氣體來不及逸出，形成氣孔和飛濺。當(dāng)焊接速度為5m/min時(shí)，由于速度過快，熔池內(nèi)的氣體無法及時(shí)排出，在焊縫中形成了較多的氣孔和飛濺。相反，當(dāng)焊接速度過慢時(shí)，激光在同一位置作用的時(shí)間過長，材料吸收的激光能量過多，會(huì)導(dǎo)致熔池過熱，液態(tài)金屬的流動(dòng)性過大，容易產(chǎn)生較大的熔滴飛濺。焊接速度過慢還會(huì)增加熱輸入，導(dǎo)致熱影響區(qū)擴(kuò)大，可能會(huì)引起材料的變形和組織性能的變化。當(dāng)焊接速度為1m/min時(shí)，熔池過熱，液態(tài)金屬的流動(dòng)性過大，產(chǎn)生了較大的熔滴飛濺，同時(shí)熱影響區(qū)也明顯擴(kuò)大。焦點(diǎn)位置：焦點(diǎn)位置決定了激光能量在材料表面的分布情況，對飛濺的形成有著重要的影響。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件表面上方時(shí)，激光能量在材料表面的分布較為分散，能量密度相對較低，材料的熔化和汽化程度相對較弱，熔池的深度較淺，容易產(chǎn)生飛濺。這是因?yàn)槟芰棵芏容^低時(shí)，匙孔難以深入形成，蒸汽反沖壓力較小，熔池的穩(wěn)定性較差，容易受到外界因素的干擾而產(chǎn)生飛濺。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件表面下方時(shí)，激光能量在材料表面的分布較為集中，能量密度較高，材料的熔化和汽化程度較強(qiáng)，熔池的深度較大。然而，如果焦點(diǎn)位置過深，會(huì)導(dǎo)致匙孔過大，蒸汽反沖壓力過大，容易使熔池表面的液態(tài)金屬被過度拋射，產(chǎn)生大量飛濺。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件表面下2mm時(shí)，匙孔過大，蒸汽反沖壓力過大，產(chǎn)生了大量的飛濺。只有當(dāng)焦點(diǎn)位置合適時(shí)，才能使激光能量在材料表面的分布達(dá)到最佳狀態(tài)，保證熔池的穩(wěn)定形成和匙孔的穩(wěn)定存在，從而減少飛濺的產(chǎn)生。一般來說，對于不同的材料和焊接要求，需要通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳的焦點(diǎn)位置。2.3.3保護(hù)氣體的影響種類：保護(hù)氣體的種類對飛濺的形成有著重要的影響。不同種類的保護(hù)氣體具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)會(huì)影響焊接過程中的電弧特性、熔池行為以及激光與材料的相互作用，從而影響飛濺的產(chǎn)生。在光纖激光焊接中，常用的保護(hù)氣體有氬氣、氦氣、二氧化碳等。氬氣是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在焊接過程中不會(huì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它的密度較大，能夠有效地隔絕空氣，防止金屬在焊接過程中被氧化。氬氣對激光的吸收和散射作用較小，能夠保證激光能量的有效傳輸。在使用氬氣作為保護(hù)氣體時(shí)，焊接過程相對穩(wěn)定，飛濺產(chǎn)生的概率較低。氦氣也是一種惰性氣體，它的密度比氬氣小，熱導(dǎo)率比氬氣高。氦氣能夠更有效地冷卻熔池，降低熔池的溫度，減少液態(tài)金屬的蒸發(fā)和飛濺。氦氣對激光的吸收和散射作用也較小，能夠保證激光能量的高效傳輸。在焊接一些高反射率的金屬材料時(shí)，使用氦氣作為保護(hù)氣體可以提高焊接過程的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生。二氧化碳?xì)怏w在焊接過程中會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生氧化性氣體，這些氣體可能會(huì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響焊接質(zhì)量。二氧化碳?xì)怏w對激光的吸收和散射作用較大，會(huì)降低激光能量的傳輸效率。在使用二氧化碳?xì)怏w作為保護(hù)氣體時(shí)，焊接過程中的飛濺現(xiàn)象相對較為嚴(yán)重。在CO?氣體保護(hù)焊中，由于CO?氣體的氧化性，會(huì)導(dǎo)致熔池中的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的CO氣體，這些氣體在熔池內(nèi)積聚，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔池發(fā)生劇烈的沸騰和飛濺。流量：保護(hù)氣體的流量對飛濺的形成也有著重要的影響。當(dāng)保護(hù)氣體流量過小時(shí)，無法有效地隔絕空氣，空氣中的氧氣和氮?dú)獾葧?huì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬氧化和氮化，影響焊接質(zhì)量。保護(hù)氣體流量過小還會(huì)使保護(hù)氣體對熔池的保護(hù)作用減弱，熔池容易受到外界因素的干擾，產(chǎn)生飛濺。當(dāng)保護(hù)氣體流量為5L/min時(shí)，由于流量過小，熔池受到空氣的污染，產(chǎn)生了較多的氣孔和飛濺。相反，當(dāng)保護(hù)氣體流量過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的氣流，對熔池和匙孔產(chǎn)生沖擊作用，破壞熔池和匙孔的穩(wěn)定性，導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。過大的保護(hù)氣體流量還會(huì)增加焊接成本，浪費(fèi)資源。當(dāng)保護(hù)氣體流量為30L/min時(shí)，由于流量過大，產(chǎn)生的氣流對熔池和匙孔產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊作用，導(dǎo)致匙孔坍塌，產(chǎn)生了大量的飛濺。因此，需要根據(jù)焊接工藝和材料的要求，選擇合適的保護(hù)氣體流量，以保證焊接過程的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生。一般來說，對于不同的焊接工藝和材料，需要通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳的保護(hù)氣體流量。三、小孔前壁激光致蒸汽特性研究3.1激光致蒸汽的產(chǎn)生機(jī)制在光纖激光焊接過程中，小孔前壁激光致蒸汽的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到材料在高能量密度激光作用下的一系列相變和能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)高能量密度的光纖激光束照射到工件表面并形成小孔后，激光繼續(xù)作用于小孔前壁。在激光作用的初始階段，小孔前壁材料中的電子吸收激光光子的能量，躍遷到高能級，這些高能級電子與晶格原子頻繁碰撞，將能量傳遞給晶格，使晶格振動(dòng)加劇，材料溫度迅速升高。隨著溫度的不斷上升，材料開始從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這個(gè)過程需要吸收大量的熔化潛熱。當(dāng)材料溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，原子間的結(jié)合力減弱，原子開始擺脫晶格的束縛，材料逐漸呈現(xiàn)出液態(tài)的流動(dòng)性。隨著激光能量的持續(xù)輸入，液態(tài)材料的溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)達(dá)到材料的沸點(diǎn)時(shí)，材料開始發(fā)生汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生金屬蒸汽，這便是激光致蒸汽的產(chǎn)生過程。以不銹鋼材料為例，其熔點(diǎn)約為1398-1454℃，沸點(diǎn)約為2730℃。在光纖激光焊接過程中，當(dāng)小孔前壁處的材料溫度在短時(shí)間內(nèi)被激光提升至沸點(diǎn)以上時(shí)，材料迅速汽化，形成大量的金屬蒸汽。從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，激光能量首先通過電子-晶格相互作用轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，使材料溫度升高，實(shí)現(xiàn)從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變，這部分能量主要用于克服原子間的結(jié)合力和熔化潛熱。當(dāng)材料進(jìn)一步汽化時(shí)，激光能量不僅要繼續(xù)提供使材料溫度升高的內(nèi)能，還要提供克服材料汽化潛熱所需的能量。材料的汽化潛熱是指單位質(zhì)量的液體在溫度保持不變的情況下轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)所吸收的熱量，對于不同的材料，其汽化潛熱的值不同。例如，鋁的汽化潛熱約為10.52×10^6J/kg，而鐵的汽化潛熱約為6.34×10^6J/kg。在激光致蒸汽的過程中，材料吸收的激光能量與這些潛熱密切相關(guān)，能量的高效轉(zhuǎn)化和利用是蒸汽產(chǎn)生的關(guān)鍵因素之一。在這個(gè)過程中，激光功率密度起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)激光功率密度較低時(shí)，材料吸收的激光能量不足以使材料迅速達(dá)到沸點(diǎn)，汽化過程緩慢，產(chǎn)生的蒸汽量較少。而當(dāng)激光功率密度足夠高時(shí)（通常大于10^6W/cm^2），材料能夠在極短的時(shí)間內(nèi)吸收大量的激光能量，快速升溫至沸點(diǎn)并產(chǎn)生大量的金屬蒸汽。當(dāng)激光功率密度為10^7W/cm^2時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)，如幾微秒內(nèi)，材料表面的溫度就能急劇升高到沸點(diǎn)以上，從而引發(fā)劇烈的汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，這些蒸汽在小孔內(nèi)形成一定的壓力場，對后續(xù)的焊接過程產(chǎn)生重要影響。3.2蒸汽的物理特性分析激光致蒸汽的物理特性對光纖激光焊接過程有著至關(guān)重要的影響，其主要物理參數(shù)包括溫度、壓力和密度等，這些參數(shù)的分布規(guī)律與焊接過程的穩(wěn)定性以及飛濺的產(chǎn)生密切相關(guān)。3.2.1溫度分布規(guī)律小孔前壁激光致蒸汽的溫度分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特性，它受到多種因素的共同影響。在激光作用區(qū)域，由于激光能量的直接輸入，蒸汽溫度極高。通過光譜分析技術(shù)可以對蒸汽溫度進(jìn)行測量，基于玻爾茲曼分布原理，不同能級的原子在蒸汽中的分布與溫度相關(guān)，通過測量特定原子譜線的強(qiáng)度比，可計(jì)算出蒸汽的溫度。在對不銹鋼進(jìn)行光纖激光焊接時(shí)，利用光譜分析測得小孔前壁附近激光致蒸汽的溫度在2000-3000K之間。隨著距離小孔前壁距離的增加，蒸汽溫度逐漸降低。這是因?yàn)檎羝谙蛲鈹U(kuò)散的過程中，會(huì)與周圍的保護(hù)氣體發(fā)生熱交換，同時(shí)自身也會(huì)通過熱輻射的方式向外傳遞熱量，導(dǎo)致溫度下降。在距離小孔前壁5mm處，蒸汽溫度可能會(huì)降低至1000-1500K。激光功率、焊接速度等焊接工藝參數(shù)對蒸汽溫度分布有著顯著的影響。當(dāng)激光功率增加時(shí)，材料吸收的激光能量增多，汽化過程更為劇烈，蒸汽的初始溫度會(huì)升高，且高溫區(qū)域的范圍也會(huì)擴(kuò)大。而焊接速度的提高會(huì)使激光作用時(shí)間縮短，蒸汽的產(chǎn)生量相對減少，溫度也會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)激光功率從2kW增加到3kW時(shí)，小孔前壁附近蒸汽的最高溫度從2200K升高到2500K，高溫區(qū)域的范圍也從距離小孔前壁1mm擴(kuò)展到1.5mm；當(dāng)焊接速度從1m/min提高到2m/min時(shí)，相同位置處蒸汽的溫度從2000K降低到1800K。3.2.2壓力分布規(guī)律蒸汽壓力在小孔內(nèi)和小孔周圍的分布存在明顯差異。在小孔內(nèi)部，由于材料的劇烈汽化，蒸汽不斷產(chǎn)生并積聚，形成較高的壓力。蒸汽壓力的大小與材料的汽化速率密切相關(guān)，汽化速率越快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽量越多，蒸汽壓力也就越高。在對鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，通過高速攝影結(jié)合壓力傳感器測量的方法，發(fā)現(xiàn)小孔內(nèi)部的蒸汽壓力可達(dá)數(shù)十千帕甚至更高。在小孔外部，隨著與小孔距離的增加，蒸汽壓力迅速下降。這是因?yàn)檎羝谙蛲鈹U(kuò)散的過程中，空間體積增大，蒸汽分子的密度減小，同時(shí)蒸汽分子與周圍氣體分子的碰撞也會(huì)消耗能量，導(dǎo)致壓力降低。在距離小孔5mm處，蒸汽壓力可能已經(jīng)降低至接近環(huán)境壓力。焊接工藝參數(shù)同樣對蒸汽壓力分布產(chǎn)生重要影響。較高的激光功率會(huì)使材料的汽化速率加快，從而增大蒸汽壓力；而較大的焊接速度會(huì)使蒸汽在小孔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致蒸汽壓力相對降低。當(dāng)激光功率從1.5kW提高到2.5kW時(shí)，小孔內(nèi)部的蒸汽壓力從30kPa增加到50kPa；當(dāng)焊接速度從0.8m/min增加到1.2m/min時(shí)，小孔內(nèi)部的蒸汽壓力從40kPa降低到35kPa。3.2.3密度分布規(guī)律激光致蒸汽的密度分布與溫度和壓力密切相關(guān)，遵循理想氣體狀態(tài)方程。在小孔前壁附近，由于蒸汽溫度高、壓力大，蒸汽密度相對較小。隨著距離小孔前壁距離的增加，溫度降低、壓力減小，蒸汽密度逐漸增大。在對鈦合金進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量的方法，得到了蒸汽密度的分布情況。在小孔前壁附近，蒸汽密度約為0.1kg/m3，而在距離小孔前壁3mm處，蒸汽密度增加到0.3kg/m3。焊接工藝參數(shù)對蒸汽密度分布的影響較為復(fù)雜。當(dāng)激光功率增加時(shí)，雖然蒸汽的產(chǎn)生量增多，但同時(shí)溫度升高，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，密度的變化取決于溫度和壓力的綜合作用。一般來說，在一定范圍內(nèi)，激光功率增加導(dǎo)致的溫度升高對密度的影響更為顯著，使得蒸汽密度略有降低。焊接速度的變化會(huì)影響蒸汽在小孔內(nèi)的停留時(shí)間和擴(kuò)散速度，從而影響蒸汽密度分布。當(dāng)焊接速度增加時(shí)，蒸汽在小孔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，擴(kuò)散速度加快，使得蒸汽在小孔周圍的分布更加均勻，密度梯度減小。當(dāng)激光功率從2kW增加到3kW時(shí)，小孔前壁附近蒸汽密度從0.12kg/m3降低到0.1kg/m3；當(dāng)焊接速度從1m/min增加到2m/min時(shí)，距離小孔前壁2mm處的蒸汽密度梯度從0.1kg/m3?mm減小到0.05kg/m3?mm。3.3實(shí)驗(yàn)測量與分析方法為深入研究小孔前壁激光致蒸汽特性，采用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測量方法，通過這些方法獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榻沂炯す庵抡羝膬?nèi)在規(guī)律提供有力支持。3.3.1高速攝像機(jī)測量蒸汽羽輝形態(tài)高速攝像機(jī)作為一種能夠以極高幀率記錄瞬間動(dòng)態(tài)過程的設(shè)備，在本研究中用于捕捉激光致蒸汽產(chǎn)生的蒸汽羽輝形態(tài)。選用的高速攝像機(jī)幀率可達(dá)100000幀/秒以上，能夠清晰地拍攝到蒸汽羽輝產(chǎn)生、發(fā)展和變化的細(xì)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將高速攝像機(jī)安裝在與焊接方向垂直的位置，確保能夠全面地觀察到蒸汽羽輝的三維形態(tài)。通過合理設(shè)置攝像機(jī)的參數(shù)，如曝光時(shí)間、光圈大小等，保證拍攝圖像的清晰度和對比度。在對不同材料進(jìn)行光纖激光焊接時(shí)，拍攝得到的蒸汽羽輝形態(tài)存在明顯差異。在焊接鋁合金時(shí)，蒸汽羽輝呈現(xiàn)出較為發(fā)散的形態(tài)，這是由于鋁合金的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)相對較低，在激光作用下材料迅速汽化，產(chǎn)生的蒸汽量較大，使得蒸汽羽輝在向外擴(kuò)散時(shí)受到的阻力較小，從而呈現(xiàn)出發(fā)散的狀態(tài)；而在焊接不銹鋼時(shí)，蒸汽羽輝則相對較為集中，這是因?yàn)椴讳P鋼的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，材料汽化相對較慢，蒸汽產(chǎn)生量相對較少，且蒸汽分子之間的相互作用較強(qiáng)，使得蒸汽羽輝能夠保持相對集中的形態(tài)。3.3.2光譜儀測量蒸汽成分與溫度光譜儀是分析蒸汽成分和溫度的重要工具，其工作原理基于不同元素的原子在特定波長下會(huì)發(fā)射或吸收特征光譜。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了高分辨率的光譜儀，能夠精確測量蒸汽中各種元素的光譜特征。通過對光譜數(shù)據(jù)的分析，可以確定蒸汽的成分，如鐵、鋁、鎂等金屬元素以及可能存在的氧化物等。利用光譜儀測量蒸汽溫度時(shí)，基于玻爾茲曼分布原理，不同能級的原子在蒸汽中的分布與溫度相關(guān)，通過測量特定原子譜線的強(qiáng)度比，可計(jì)算出蒸汽的溫度。在對Q235低碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)，蒸汽中主要成分是Fe原子，同時(shí)還檢測到少量的Mn原子，這與Q235低碳鋼的化學(xué)成分相符。通過測量Fe原子特定譜線的強(qiáng)度比，計(jì)算得到小孔前壁附近蒸汽的溫度在2000-2500K之間，隨著距離小孔前壁距離的增加，蒸汽溫度逐漸降低。3.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過高速攝像機(jī)和光譜儀等設(shè)備的測量，得到了一系列關(guān)于小孔前壁激光致蒸汽特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從蒸汽羽輝形態(tài)來看，其形狀和尺寸不僅與材料特性有關(guān)，還受到焊接工藝參數(shù)的顯著影響。當(dāng)激光功率增加時(shí)，蒸汽羽輝的體積明顯增大，這是因?yàn)楦叩募す夤β适沟貌牧系钠俾始涌欤a(chǎn)生的蒸汽量增多，從而導(dǎo)致蒸汽羽輝的體積膨脹；而焊接速度的提高會(huì)使蒸汽羽輝的長度增加，寬度減小，這是由于焊接速度加快，蒸汽在小孔內(nèi)的停留時(shí)間縮短，蒸汽羽輝在焊接方向上的擴(kuò)散時(shí)間減少，而在垂直于焊接方向上的擴(kuò)散受到的限制相對較大，導(dǎo)致羽輝長度增加，寬度減小。在蒸汽成分和溫度方面，不同材料焊接時(shí)蒸汽的成分和溫度分布呈現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。在焊接不同鋁合金時(shí)，由于合金元素的差異，蒸汽中除了Al原子外，還會(huì)檢測到不同含量的Mg、Si等元素，且蒸汽溫度也會(huì)因合金成分的不同而有所變化。在焊接含鎂量較高的鋁合金時(shí)，蒸汽中Mg原子的含量相對較高，蒸汽溫度也相對較低，這是因?yàn)殒V的沸點(diǎn)相對較低，在較低的溫度下就能夠大量汽化，消耗了部分激光能量，使得蒸汽整體溫度降低。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析，發(fā)現(xiàn)激光致蒸汽特性與焊接過程中的飛濺行為存在著密切的關(guān)聯(lián)。蒸汽羽輝的不穩(wěn)定波動(dòng)往往伴隨著飛濺的產(chǎn)生，當(dāng)蒸汽羽輝突然膨脹或收縮時(shí)，會(huì)對熔池表面產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致熔池中的液態(tài)金屬被拋射出去，形成飛濺；蒸汽溫度和成分的變化也會(huì)影響熔池的凝固過程和液態(tài)金屬的流動(dòng)性，進(jìn)而影響飛濺的產(chǎn)生概率和形態(tài)。當(dāng)蒸汽中某些元素的含量過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致熔池中的液態(tài)金屬凝固速度加快，流動(dòng)性變差，容易產(chǎn)生較大尺寸的飛濺顆粒。四、激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制4.1蒸汽與熔池的相互作用在光纖激光焊接過程中，小孔前壁產(chǎn)生的激光致蒸汽與熔池之間存在著復(fù)雜而緊密的相互作用，這種相互作用對熔池的流動(dòng)形態(tài)和穩(wěn)定性產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而在飛濺的產(chǎn)生過程中扮演著關(guān)鍵角色。4.1.1反沖壓力作用激光致蒸汽產(chǎn)生的反沖壓力是影響熔池行為的重要因素之一。當(dāng)材料在激光的高能量作用下迅速汽化形成蒸汽時(shí)，蒸汽以高速向外噴射，根據(jù)牛頓第三定律，會(huì)對熔池表面產(chǎn)生一個(gè)大小相等、方向相反的反沖壓力。在對不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，通過高速攝影和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為3kW，焊接速度為1m/min時(shí)，小孔前壁蒸汽的反沖壓力可達(dá)數(shù)十千帕。這種反沖壓力會(huì)對熔池表面的液態(tài)金屬產(chǎn)生直接的作用力，促使液態(tài)金屬發(fā)生流動(dòng)和變形。反沖壓力會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬被向下擠壓，導(dǎo)致熔池表面形成凹陷，這是匙孔形成的重要驅(qū)動(dòng)力之一。在匙孔形成后，反沖壓力繼續(xù)作用于匙孔周圍的熔池，使得熔池中的液態(tài)金屬在匙孔周圍形成環(huán)流。熔池中的液態(tài)金屬會(huì)在反沖壓力的作用下，從匙孔前壁向下流動(dòng)，繞過匙孔底部，再從匙孔后壁向上流動(dòng)，形成一個(gè)類似漩渦的流動(dòng)模式。這種環(huán)流會(huì)影響熔池的溫度分布和成分分布，進(jìn)而影響熔池的凝固過程和焊縫的質(zhì)量。然而，當(dāng)反沖壓力過大或波動(dòng)劇烈時(shí)，會(huì)破壞熔池的穩(wěn)定性。過大的反沖壓力可能會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬被過度拋射，導(dǎo)致熔池表面出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)和飛濺。當(dāng)反沖壓力的波動(dòng)頻率與熔池的固有頻率相近時(shí)，還可能引發(fā)共振現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇熔池的不穩(wěn)定，增加飛濺產(chǎn)生的可能性。在高功率激光焊接中，由于蒸汽的產(chǎn)生量較大，反沖壓力也相應(yīng)較大，飛濺現(xiàn)象往往更為嚴(yán)重。當(dāng)激光功率從2kW增加到4kW時(shí)，反沖壓力顯著增大，熔池表面的波動(dòng)明顯加劇，飛濺的產(chǎn)生頻率和顆粒尺寸都明顯增加。4.1.2剪切力作用除了反沖壓力，激光致蒸汽還會(huì)對熔池產(chǎn)生剪切力作用。蒸汽在從匙孔中噴出的過程中，與熔池表面的液態(tài)金屬存在速度差，這種速度差會(huì)導(dǎo)致蒸汽對液態(tài)金屬產(chǎn)生剪切力。根據(jù)流體力學(xué)原理，剪切力的大小與蒸汽和液態(tài)金屬的速度差以及兩者之間的接觸面積成正比。當(dāng)蒸汽速度較高，且與熔池表面的接觸面積較大時(shí)，剪切力也會(huì)相應(yīng)增大。這種剪切力會(huì)對熔池的流動(dòng)形態(tài)產(chǎn)生重要影響。它會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)，改變?nèi)鄢氐牧鲃?dòng)方向和速度分布。在熔池表面，剪切力會(huì)使液態(tài)金屬沿著蒸汽噴射的方向產(chǎn)生一定的流動(dòng)，形成類似于邊界層的流動(dòng)區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，液態(tài)金屬的速度逐漸從熔池內(nèi)部的速度過渡到蒸汽的速度，速度梯度較大。剪切力還會(huì)對熔池的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)剪切力超過一定閾值時(shí)，會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬發(fā)生撕裂和破碎，形成小液滴，這些小液滴在蒸汽的攜帶作用下，可能會(huì)脫離熔池表面，形成飛濺。在焊接過程中，由于激光能量的波動(dòng)或材料的不均勻性，蒸汽的速度和流量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致剪切力也隨之波動(dòng)。這種波動(dòng)的剪切力會(huì)對熔池表面的液態(tài)金屬產(chǎn)生周期性的作用，使得熔池表面的液態(tài)金屬更容易發(fā)生撕裂和飛濺。當(dāng)蒸汽速度突然增加時(shí)，剪切力瞬間增大，可能會(huì)將熔池表面的液態(tài)金屬撕裂成小液滴，形成飛濺；而當(dāng)蒸汽速度突然減小時(shí)，剪切力減小，熔池表面的液態(tài)金屬可能會(huì)在表面張力的作用下重新聚合，但如果之前已經(jīng)產(chǎn)生了較大的變形，仍然可能會(huì)有部分液態(tài)金屬脫離熔池形成飛濺。4.2蒸汽對飛濺形成過程的影響在光纖激光焊接中，激光致蒸汽對飛濺形成過程有著復(fù)雜且關(guān)鍵的影響，這種影響主要通過蒸汽壓力、流速以及溫度等因素來實(shí)現(xiàn)。蒸汽壓力是影響飛濺形成的重要因素之一。當(dāng)蒸汽壓力過高時(shí)，會(huì)對熔池表面產(chǎn)生強(qiáng)大的作用力。在高功率激光焊接中，由于激光能量密度大，材料汽化劇烈，產(chǎn)生的蒸汽壓力較高。在對鈦合金進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)激光功率為4kW，焊接速度為1.2m/min時(shí)，小孔前壁蒸汽壓力可達(dá)50kPa以上。如此高的蒸汽壓力會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬受到強(qiáng)烈的沖擊，液態(tài)金屬在蒸汽壓力的作用下被迅速加速，當(dāng)速度超過一定閾值時(shí)，液態(tài)金屬就會(huì)脫離熔池表面，形成飛濺。這是因?yàn)檎羝麎毫Υ蚱屏巳鄢乇砻嬉簯B(tài)金屬所受的表面張力和重力的平衡，使得液態(tài)金屬無法維持在熔池內(nèi)，從而被噴射出去。蒸汽流速同樣對飛濺形成有著重要作用。高速的蒸汽流會(huì)對熔池表面的液態(tài)金屬產(chǎn)生剪切力，如前文所述，這種剪切力會(huì)使液態(tài)金屬發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)蒸汽流速足夠高時(shí)，剪切力會(huì)使熔池表面的液態(tài)金屬發(fā)生撕裂和破碎，形成小液滴。這些小液滴在蒸汽流的攜帶作用下，很容易脫離熔池表面，進(jìn)而形成飛濺。在焊接過程中，由于激光能量的波動(dòng)，蒸汽流速也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)激光能量突然增加時(shí)，蒸汽的產(chǎn)生速率加快，蒸汽流速也會(huì)瞬間增大，此時(shí)熔池表面的液態(tài)金屬更容易受到剪切力的作用而形成飛濺。在對鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)激光能量突然波動(dòng)導(dǎo)致蒸汽流速從50m/s增加到80m/s時(shí)，飛濺的產(chǎn)生頻率明顯增加，飛濺顆粒的尺寸也有所增大。蒸汽溫度對飛濺形成的影響則較為間接。蒸汽溫度的變化會(huì)影響材料的蒸發(fā)和凝固過程。當(dāng)蒸汽溫度較高時(shí)，材料的蒸發(fā)速度加快，會(huì)導(dǎo)致熔池表面的液態(tài)金屬蒸發(fā)量增加，使得熔池表面的液態(tài)金屬變得更加稀薄，表面張力減小。在這種情況下，熔池表面的液態(tài)金屬更容易受到外界因素的干擾，如蒸汽壓力和流速的變化，從而產(chǎn)生飛濺。較高的蒸汽溫度還會(huì)使熔池的冷卻速度減慢，液態(tài)金屬的凝固時(shí)間延長，這會(huì)增加熔池的不穩(wěn)定時(shí)間，使得飛濺更容易產(chǎn)生。在焊接過程中，若蒸汽溫度從2000K升高到2500K，熔池表面的液態(tài)金屬蒸發(fā)量明顯增加，飛濺的產(chǎn)生概率也隨之提高。為了更直觀地理解蒸汽對飛濺形成過程的影響，通過高速攝像技術(shù)對焊接過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到當(dāng)蒸汽壓力和流速發(fā)生變化時(shí)，飛濺的產(chǎn)生情況也隨之改變。當(dāng)蒸汽壓力穩(wěn)定且流速較小時(shí)，熔池表面相對平靜，飛濺產(chǎn)生的頻率較低；而當(dāng)蒸汽壓力突然升高或流速突然增大時(shí)，熔池表面會(huì)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，大量的液態(tài)金屬被噴射出去，形成明顯的飛濺。在對不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)蒸汽壓力從30kPa突然升高到45kPa，同時(shí)蒸汽流速從40m/s增加到60m/s時(shí)，高速攝像記錄顯示，熔池表面瞬間出現(xiàn)大量的液滴飛濺，飛濺顆粒的數(shù)量和尺寸都顯著增加。這進(jìn)一步驗(yàn)證了蒸汽壓力和流速與飛濺產(chǎn)生之間的密切關(guān)系，為深入研究飛濺形成機(jī)制提供了直觀的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.3數(shù)值模擬與驗(yàn)證為了深入探究激光致蒸汽與飛濺行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS建立了光纖激光焊接過程的三維模型。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮了激光能量的吸收、傳輸和轉(zhuǎn)換，材料的熔化、汽化和凝固，蒸汽的產(chǎn)生、流動(dòng)和擴(kuò)散，以及熔池和匙孔的動(dòng)態(tài)行為等復(fù)雜物理過程。模型采用了基于有限元方法的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模塊來求解流體流動(dòng)和傳熱問題。在激光能量輸入方面，根據(jù)高斯分布函數(shù)定義了激光束的能量密度分布，以準(zhǔn)確模擬激光在材料表面的能量沉積。對于材料的熱物理性質(zhì)，如比熱容、熱導(dǎo)率、密度等，根據(jù)實(shí)際焊接材料（以不銹鋼為例）的特性進(jìn)行了精確設(shè)定，并考慮了這些參數(shù)隨溫度的變化。在材料的熔化和汽化過程中，引入了相變潛熱，以準(zhǔn)確描述材料在相變過程中的能量變化。在模擬激光致蒸汽與飛濺行為的相互作用過程時(shí)，通過追蹤熔池表面液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)軌跡來模擬飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)熔池表面的液態(tài)金屬受到蒸汽反沖壓力、剪切力等外力作用，其速度超過一定閾值時(shí)，該部分液態(tài)金屬被判定為飛濺顆粒，從熔池中脫離出來。在模擬過程中，還考慮了蒸汽羽輝對激光能量傳輸?shù)挠绊?，通過設(shè)置蒸汽的光學(xué)特性參數(shù)，模擬蒸汽對激光的吸收和散射作用。將數(shù)值模擬結(jié)果與前文所述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。在激光致蒸汽特性方面，模擬得到的蒸汽溫度、壓力和密度分布與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果具有較好的一致性。在對不銹鋼進(jìn)行焊接模擬時(shí)，模擬得到的小孔前壁附近蒸汽溫度在2100-2900K之間，與實(shí)驗(yàn)測量的2000-3000K范圍相符；模擬的蒸汽壓力在小孔內(nèi)部可達(dá)40-60kPa，與實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)十千帕的范圍基本一致。在飛濺行為方面，模擬得到的飛濺顆粒大小、速度和軌跡等參數(shù)也與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果相吻合。通過高速攝像實(shí)驗(yàn)觀測到的飛濺顆粒速度范圍為1-5m/s，模擬結(jié)果顯示的飛濺顆粒速度在1.2-4.8m/s之間，兩者較為接近。為了更直觀地展示模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比情況，繪制了蒸汽溫度、壓力沿特定方向的分布曲線以及飛濺顆粒速度的概率分布圖。從蒸汽溫度分布曲線來看，模擬曲線與實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)在趨勢上高度一致，均呈現(xiàn)出在小孔前壁附近溫度最高，隨著距離增加溫度逐漸降低的特點(diǎn)；在蒸汽壓力分布方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在小孔內(nèi)部和外部的壓力變化趨勢也基本相同；在飛濺顆粒速度概率分布圖中，模擬得到的速度分布概率與實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的相互結(jié)合，不僅深入揭示了激光致蒸汽對飛濺行為的影響機(jī)制，還為后續(xù)基于該機(jī)制的飛濺抑制方法研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。五、基于激光致蒸汽的飛濺控制策略5.1焊接參數(shù)優(yōu)化通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入研究如何調(diào)整激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置等參數(shù)，以優(yōu)化激光致蒸汽特性，減少飛濺。在實(shí)驗(yàn)中，選用304不銹鋼作為焊接材料，板材厚度為3mm，采用連續(xù)波光纖激光焊接設(shè)備，保護(hù)氣體為氬氣，流量設(shè)定為15L/min。5.1.1激光功率的優(yōu)化激光功率是影響激光致蒸汽和飛濺行為的關(guān)鍵參數(shù)之一。在一系列實(shí)驗(yàn)中，固定焊接速度為1.2m/min，焦點(diǎn)位置為工件表面下0.5mm，逐步改變激光功率從2kW增加到4kW，每次增加0.5kW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，材料的汽化速率加快，激光致蒸汽的產(chǎn)生量增多，蒸汽壓力和溫度升高。當(dāng)激光功率較低時(shí)，如2kW，材料汽化不充分，熔池的穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生少量飛濺。這是因?yàn)檩^低的激光功率無法提供足夠的能量使材料充分熔化和汽化，熔池中的液態(tài)金屬流動(dòng)性較差，在蒸汽反沖壓力和表面張力的作用下，容易產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。隨著激光功率增加到3kW，材料的熔化和汽化過程更加充分，熔池的穩(wěn)定性得到提高，飛濺明顯減少。此時(shí)，激光致蒸汽的反沖壓力與熔池表面液態(tài)金屬的表面張力和重力達(dá)到較好的平衡，使得熔池能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，當(dāng)激光功率繼續(xù)增加到4kW時(shí)，蒸汽反沖壓力過大，超過了熔池表面液態(tài)金屬的承受能力，導(dǎo)致熔池表面的液態(tài)金屬被過度拋射，飛濺現(xiàn)象加劇。在高功率下，激光致蒸汽的溫度和壓力過高，使得熔池表面的液態(tài)金屬更容易受到?jīng)_擊，從而增加了飛濺的產(chǎn)生概率。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對于3mm厚的304不銹鋼，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，激光功率為3kW時(shí)，能夠在保證焊接質(zhì)量的前提下，有效減少飛濺的產(chǎn)生。5.1.2焊接速度的優(yōu)化焊接速度對激光致蒸汽和飛濺行為也有著重要的影響。在實(shí)驗(yàn)中，固定激光功率為3kW，焦點(diǎn)位置為工件表面下0.5mm，將焊接速度從1m/min提高到2m/min，每次增加0.2m/min。結(jié)果顯示，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，如1m/min，激光在同一位置作用的時(shí)間過長，材料吸收的激光能量過多，導(dǎo)致熔池過熱，液態(tài)金屬的流動(dòng)性過大，容易產(chǎn)生較大的熔滴飛濺。這是因?yàn)檩^長的激光作用時(shí)間使得熔池中的液態(tài)金屬不斷吸收能量，溫度升高，粘度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，在蒸汽反沖壓力和熔池內(nèi)部流動(dòng)的作用下，容易形成較大的熔滴并被拋出熔池，形成飛濺。隨著焊接速度增加到1.4m/min，熔池的冷卻速度加快，液態(tài)金屬的凝固速度也相應(yīng)加快，熔池的穩(wěn)定性得到提高，飛濺減少。此時(shí)，激光在材料表面的作用時(shí)間適中，能夠保證材料充分熔化和汽化，同時(shí)熔池能夠及時(shí)冷卻凝固，減少了液態(tài)金屬的流動(dòng)和飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)焊接速度進(jìn)一步提高到2m/min時(shí)，由于激光作用在材料上的時(shí)間過短，材料吸收的激光能量不足，無法充分熔化和汽化，導(dǎo)致熔池的形成和維持不穩(wěn)定，匙孔難以穩(wěn)定形成，容易發(fā)生坍塌，從而產(chǎn)生大量飛濺。在高速焊接時(shí)，激光能量無法在材料中充分積累，使得熔池的形成和匙孔的穩(wěn)定受到影響，增加了飛濺的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對于3mm厚的304不銹鋼，焊接速度為1.4m/min時(shí)，能夠較好地控制飛濺的產(chǎn)生。5.1.3焦點(diǎn)位置的優(yōu)化焦點(diǎn)位置決定了激光能量在材料表面的分布情況，對激光致蒸汽和飛濺行為有著重要的影響。在實(shí)驗(yàn)中，固定激光功率為3kW，焊接速度為1.4m/min，將焦點(diǎn)位置從工件表面上方1mm逐漸移動(dòng)到工件表面下方1mm，每次移動(dòng)0.5mm。當(dāng)焦點(diǎn)位于工件表面上方1mm時(shí)，激光能量在材料表面的分布較為分散，能量密度相對較低，材料的熔化和汽化程度相對較弱，熔池的深度較淺，容易產(chǎn)生飛濺。這是因?yàn)槟芰棵芏容^低時(shí)，匙孔難以深入形成，蒸汽反沖壓力較小，熔池的穩(wěn)定性較差，容易受到外界因素的干擾而產(chǎn)生飛濺。當(dāng)焦點(diǎn)逐漸下移到工件表面下0.5mm時(shí)，激光能量在材料表面的分布較為集中，能量密度較高，材料的熔化和汽化程度較強(qiáng)，熔池的深度較大，飛濺明顯減少。此時(shí)，激光能量能夠更有效地作用于材料，使得匙孔能夠穩(wěn)定形成，蒸汽反沖壓力與熔池的穩(wěn)定性達(dá)到較好的平衡，減少了飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)焦點(diǎn)繼續(xù)下移到工件表面下1mm時(shí)，匙孔過大，蒸汽反沖壓力過大，容易使熔池表面的液態(tài)金屬被過度拋射，產(chǎn)生大量飛濺。焦點(diǎn)位置過深會(huì)導(dǎo)致激光能量過于集中在材料內(nèi)部，使得匙孔過大，蒸汽反沖壓力失去平衡，從而增加了飛濺的產(chǎn)生概率。通過實(shí)驗(yàn)確定，對于3mm厚的304不銹鋼，焦點(diǎn)位置在工件表面下0.5mm時(shí)，能夠有效減少飛濺的產(chǎn)生，獲得較好的焊接質(zhì)量。5.2工藝改進(jìn)措施除了優(yōu)化焊接參數(shù)外，采用工藝改進(jìn)措施也是控制飛濺的重要手段。通過光束整形、激光擺動(dòng)焊接以及激光復(fù)合焊接等方法，能夠有效改善焊接過程中的激光致蒸汽特性，從而減少飛濺的產(chǎn)生。5.2.1光束整形技術(shù)光束整形是一種通過改變激光束的能量分布來優(yōu)化焊接過程的技術(shù)。在傳統(tǒng)的高斯光束中，能量呈中心高、邊緣低的分布，這種分布容易導(dǎo)致熔池溫度梯度大、穩(wěn)定性差，從而增加飛濺的產(chǎn)生概率。而環(huán)形光斑作為一種常見的光束整形方式，具有獨(dú)特的能量分布特點(diǎn)，能夠有效改善焊接過程。環(huán)形光斑的能量分布呈現(xiàn)出中心低、邊緣高的環(huán)形特征。在光纖激光焊接中，采用環(huán)形光斑時(shí)，激光能量在材料表面的分布更加均勻，使得熔池的溫度分布也更加均勻。這有助于減少熔池表面的溫度梯度，降低液態(tài)金屬的蒸發(fā)速度，從而減少激光致蒸汽的產(chǎn)生量和蒸汽的反沖壓力。均勻的溫度分布還能使熔池的流動(dòng)性更加穩(wěn)定，減少熔池表面的波動(dòng)，降低飛濺的產(chǎn)生概率。在對鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，采用環(huán)形光斑后，熔池表面的溫度梯度明顯減小，液態(tài)金屬的蒸發(fā)速度降低，蒸汽反沖壓力減小，飛濺的產(chǎn)生量顯著減少。環(huán)形光斑還能夠增強(qiáng)激光與材料的相互作用。由于環(huán)形光斑的能量集中在邊緣區(qū)域，使得材料在邊緣處能夠更有效地吸收激光能量，促進(jìn)材料的熔化和汽化。這種增強(qiáng)的相互作用有助于形成更加穩(wěn)定的匙孔，減少匙孔的坍塌和波動(dòng)，從而進(jìn)一步降低飛濺的產(chǎn)生。在對不銹鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用環(huán)形光斑能夠使匙孔的穩(wěn)定性提高，匙孔坍塌的次數(shù)明顯減少，飛濺的產(chǎn)生頻率降低了約30%。5.2.2激光擺動(dòng)焊接技術(shù)激光擺動(dòng)焊接是指在焊接過程中，激光束按照一定的軌跡進(jìn)行擺動(dòng)，從而改變激光能量在材料表面的作用方式。常見的擺動(dòng)軌跡有圓形、橢圓形、“8”字形等。這種焊接方式能夠?qū)θ鄢氐牧鲃?dòng)和溫度分布產(chǎn)生積極的影響，進(jìn)而減少飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)激光束進(jìn)行擺動(dòng)時(shí)，激光能量在材料表面的作用區(qū)域不斷變化，使得熔池中的液態(tài)金屬受到周期性的攪拌作用。這種攪拌作用能夠促進(jìn)熔池內(nèi)的熱量均勻分布，降低熔池表面的溫度梯度，使熔池的流動(dòng)性更加穩(wěn)定。在對鈦合金進(jìn)行焊接時(shí)，采用圓形擺動(dòng)軌跡，激光束以一定的頻率和幅度在焊接方向上做圓周運(yùn)動(dòng)。通過高速攝像觀察發(fā)現(xiàn)，熔池中的液態(tài)金屬在激光束的擺動(dòng)作用下，形成了較為規(guī)則的環(huán)流，熔池表面的溫度分布更加均勻，液態(tài)金屬的蒸發(fā)速度得到有效控制，飛濺的產(chǎn)生明顯減少。激光擺動(dòng)焊接還能夠增加熔池的凝固時(shí)間。由于激光能量的作用區(qū)域不斷變化，熔池的冷卻速度相對減慢，使得熔池中的氣泡有更多的時(shí)間逸出，減少了氣孔和飛濺的產(chǎn)生。在對鎳基合金進(jìn)行焊接時(shí)，采用“8”字形擺動(dòng)軌跡，與傳統(tǒng)直線焊接相比，熔池的凝固時(shí)間延長了約20%，氣泡逸出更加充分，焊縫中的氣孔數(shù)量明顯減少，飛濺的產(chǎn)生量也大幅降低。5.2.3激光復(fù)合焊接技術(shù)激光復(fù)合焊接是將激光與其他焊接熱源（如電弧、等離子弧等）結(jié)合在一起的焊接方法。在激光-電弧復(fù)合焊接中，激光束和電弧同時(shí)作用于焊接區(qū)域，兩種熱源相互協(xié)同，能夠有效改善焊接過程中的激光致蒸汽特性，減少飛濺的產(chǎn)生。激光-電弧復(fù)合焊接中，電弧能夠?qū)す庵抡羝a(chǎn)生積極的影響。電弧的存在可以降低激光致蒸汽的溫度和壓力，減少蒸汽的反沖壓力對熔池的沖擊。電弧還能夠增加熔池的流動(dòng)性，使熔池中的液態(tài)金屬更加均勻地分布，減少熔池表面的波動(dòng)，從而降低飛濺的產(chǎn)生概率。在對碳鋼進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)，電弧的熱量補(bǔ)充使得熔池的溫度更加均勻，激光致蒸汽的溫度和壓力降低，熔池表面的波動(dòng)明顯減小，飛濺的產(chǎn)生量較單純激光焊接減少了約40%。激光-電弧復(fù)合焊接還能夠提高焊接過程的穩(wěn)定性。激光和電弧的相互作用可以增強(qiáng)激光能量的吸收效率，使焊接過程更加穩(wěn)定，減少因焊接過程不穩(wěn)定而導(dǎo)致的飛濺。在對高強(qiáng)度鋼進(jìn)行焊接時(shí)，激光-電弧復(fù)合焊接能夠有效抑制焊接過程中的等離子體云對激光的屏蔽作用，提高激光能量的利用率，使焊接過程更加穩(wěn)定，飛濺的產(chǎn)生得到有效控制。5.3保護(hù)氣體的合理應(yīng)用保護(hù)氣體在光纖激光焊接過程中起著至關(guān)重要的作用，其種類、流量和吹氣方式的選擇直接影響著激光致蒸汽的特性以及飛濺行為，進(jìn)而對焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。通過深入研究這些因素的影響規(guī)律，能夠提出保護(hù)氣體的優(yōu)化方案，有效減少飛濺的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。5.3.1保護(hù)氣體種類的影響在光纖激光焊接中，常用的保護(hù)氣體有氬氣（Ar）、氦氣（He）和氮?dú)猓∟?）等，它們各自具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，對激光致蒸汽和飛濺行為的影響也各不相同。氬氣是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在焊接過程中不易與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其密度較大，約為1.784kg/m3，能夠有效地隔絕空氣，防止金屬在焊接過程中被氧化。氬氣對激光的吸收和散射作用較小，能夠保證激光能量的有效傳輸。在使用氬氣作為保護(hù)氣體時(shí)，焊接過程相對穩(wěn)定，飛濺產(chǎn)生的概率較低。在對不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，氬氣能夠形成穩(wěn)定的保護(hù)氣層，有效抑制熔池表面的氧化，減少了因氧化導(dǎo)致的熔池波動(dòng)和飛濺。由于氬氣的熱導(dǎo)率較低，約為0.0177W/m?K，在焊接過程中對熔池的冷卻作用相對較弱，使得熔池的凝固速度較慢，這在一定程度上有利于熔池內(nèi)氣體的逸出，減少氣孔和飛濺的產(chǎn)生。但對于一些對熱輸入敏感的材料，較慢的凝固速度可能會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)擴(kuò)大，影響焊接接頭的性能。氦氣同樣是惰性氣體，其密度比氬氣小，約為0.1786kg/m3，熱導(dǎo)率卻比氬氣高很多，約為0.1513W/m?K。氦氣能夠更有效地冷卻熔池，降低熔池的溫度，減少液態(tài)金屬的蒸發(fā)和飛濺。由于氦氣的電離能較高，在激光作用下電離程度很低，能夠很好地控制等離子體云的形成，減少等離子體云對激光的吸收和散射，提高激光的有效利用率。在焊接一些高反射率的金屬材料，如鋁合金時(shí)，使用氦氣作為保護(hù)氣體可以顯著提高焊接過程的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生。在對6061鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，采用氦氣保護(hù)，能夠使熔池的溫度更加均勻，減少了因溫度不均導(dǎo)致的熔池波動(dòng)和飛濺，同時(shí)提高了焊縫的質(zhì)量和力學(xué)性能。但氦氣的成本較高，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，需要綜合考慮成本和焊接質(zhì)量的因素來選擇是否使用氦氣。氮?dú)庠谝欢囟认聲?huì)與某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如在焊接不銹鋼時(shí)，氮?dú)馀c不銹鋼中的鉻等元素反應(yīng)生成氮化物，這些氮化物可以提高焊縫接頭的強(qiáng)度。但在焊接鋁合金和碳鋼時(shí)，氮?dú)馀c金屬反應(yīng)產(chǎn)生的氮化物會(huì)提高焊縫的脆性，降低韌性，對焊縫接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，因此一般不建議在這兩種材料的焊接中使用氮?dú)?。氮?dú)獾碾婋x能適中，在激光作用下電離程度一般，可以較好地減小等離子體云的形成，從而增大激光的有效利用率。在對304不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，能夠在一定程度上減少等離子體云對激光的屏蔽作用，提高焊接過程的穩(wěn)定性，但需要嚴(yán)格控制氮?dú)獾牧髁亢秃附庸に噮?shù)，以避免因氮化物過多導(dǎo)致焊縫性能下降。5.3.2保護(hù)氣體流量的影響保護(hù)氣體流量對激光致蒸汽和飛濺行為有著重要的影響。當(dāng)保護(hù)氣體流量過小時(shí)，無法有效地隔絕空氣，空氣中的氧氣和氮?dú)獾葧?huì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬氧化和氮化，影響焊接質(zhì)量。保護(hù)氣體流量過小還會(huì)使保護(hù)氣體對熔池的保護(hù)作用減弱，熔池容易受到外界因素的干擾，產(chǎn)生飛濺。在對碳鋼進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)保護(hù)氣體流量為5L/min時(shí)，由于流量過小，熔池表面出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生了較多的氣孔和飛濺。這是因?yàn)檩^小的保護(hù)氣體流量無法形成有效的保護(hù)氣層，使得空氣中的氧氣和氮?dú)饽軌蜻M(jìn)入焊接區(qū)域，與高溫的熔池金屬發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氧化物和氮化物會(huì)影響熔池的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。相反，當(dāng)保護(hù)氣體流量過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的氣流，對熔池和匙孔產(chǎn)生沖擊作用，破壞熔池和匙孔的穩(wěn)定性，導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。過大的保護(hù)氣體流量還會(huì)增加焊接成本，浪費(fèi)資源。在對鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，當(dāng)保護(hù)氣體流量為30L/min時(shí)，由于流量過大，產(chǎn)生的高速氣流對熔池和匙孔產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，導(dǎo)致匙孔坍塌，產(chǎn)生了大量的飛濺。這是因?yàn)檫^大的氣流會(huì)改變?nèi)鄢乇砻娴膲毫Ψ植?，破壞了熔池和匙孔的?dòng)態(tài)平衡，使得熔池中的液態(tài)金屬被劇烈擾動(dòng)，從而產(chǎn)生飛濺。因此，需要根據(jù)焊接工藝和材料的要求，選擇合適的保護(hù)氣體流量，以保證焊接過程的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生。一般來說，對于薄板焊接，保護(hù)氣體流量可以相對較小，如對于1-2mm厚的低碳鋼薄板，保護(hù)氣體流量可控制在10-15L/min；而對于厚板焊接，保護(hù)氣體流量則需要適當(dāng)增大，如對于6mm厚的316L不銹鋼，保護(hù)氣體流量可增加到18-22L/min。在實(shí)際焊接過程中，還需要根據(jù)焊接過程中的實(shí)際情況，如熔池的穩(wěn)定性、飛濺的產(chǎn)生情況等，對保護(hù)氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到最佳的焊接效果。5.3.3保護(hù)氣體吹氣方式的影響保護(hù)氣體的吹氣方式主要有同軸吹氣和側(cè)向吹氣兩種，不同的吹氣方式對激光致蒸汽和飛濺行為有著不同的影響。同軸吹氣是指氣流與激光束同軸輸出，這種吹氣方式能夠使保護(hù)氣體對稱地覆蓋熔池，對熔池提供全方位的保護(hù)。在高速焊接過程中，同軸吹氣能夠有效地減少熔池表面的氧化，防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入熔池，從而減少飛濺的產(chǎn)生。由于保護(hù)氣體與激光束同軸，不會(huì)對激光的聚焦產(chǎn)生干擾，保證了激光能量的有效傳輸。在汽車鍍鋅鋼1.2mm薄板的高速焊接中，采用同軸吹氣方式，焊接速度可達(dá)40mm/s，飛濺率小于0.1%，能夠滿足汽車生產(chǎn)對焊接質(zhì)量和效率的要求。但同軸吹氣方式在一些情況下可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)氣體對熔池的沖擊過大，尤其是在保護(hù)氣體流量較大時(shí)，容易破壞熔池的穩(wěn)定性，增加飛濺的產(chǎn)生概率。側(cè)向吹氣是指氣流從熔池側(cè)方導(dǎo)入，這種吹氣方式可以定向清除等離子體或底部雜質(zhì)，適用于深熔焊。在對12mm厚的Q345鋼進(jìn)行深熔焊時(shí)，采用側(cè)向吹氣方式，氣流以30°角吹向熔池，能夠有效地清除匙孔周圍的等離子體，減少等離子體對激光的吸收和散射，提高激光能量的利用率，同時(shí)使熔池底部的雜質(zhì)更容易排出，降低了底部氣孔的產(chǎn)生概率，熔深增加了18%，底部氣孔率降至0.8%。側(cè)向吹氣方式還可以通過調(diào)整氣流的方向和速度，對熔池的流動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，改善熔池的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生。但側(cè)向吹氣方式可能會(huì)導(dǎo)致熔池一側(cè)的保護(hù)效果相對較弱，需要合理調(diào)整吹氣角度和流量，以保證熔池的整體保護(hù)效果。在一些復(fù)雜的焊接工藝中，還可以采用復(fù)合吹氣的方式，即結(jié)合同軸吹氣和側(cè)向吹氣的優(yōu)點(diǎn)，同步抑制氧化與等離子體干擾。在對3mm厚的6061鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，采用雙噴嘴設(shè)計(jì)的復(fù)合吹氣方式，一個(gè)噴嘴進(jìn)行同軸吹氣，另一個(gè)噴嘴進(jìn)行側(cè)向吹氣，能夠使熔池得到全方位的保護(hù)，同時(shí)有效地清除等離子體，使氣孔率從2.5%降至0.4%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的95%，顯著提高了焊接質(zhì)量。5.3.4保護(hù)氣體優(yōu)化方案綜合考慮保護(hù)氣體種類、流量和吹氣方式對激光致蒸汽和飛濺行為的影響，提出以下保護(hù)氣體優(yōu)化方案：根據(jù)材料特性選擇保護(hù)氣體種類：對于不銹鋼焊接，可根據(jù)具體需求選擇氬氣或氮?dú)?。若追求焊縫的高強(qiáng)度，可在嚴(yán)格控制工藝參數(shù)的前提下選擇氮?dú)?；若更注重焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫的耐腐蝕性，氬氣是較好的選擇。對于鋁合金和碳鋼焊接，應(yīng)優(yōu)先選擇氬氣或氦