高功率激光照射致材料氣化與熔池行為

李時春，鄧 輝，張 焱，陳根余

（1.湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201；3.湖南大學機械與運載工程學院激光研究所，湖南長沙410082）

高功率激光照射致材料氣化與熔池行為

李時春1，2，鄧 輝1，2，張 焱3，陳根余3

（1.湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學機電工程學院，湖南湘潭411201；3.湖南大學機械與運載工程學院激光研究所，湖南長沙410082）

激光深熔焊接小孔內前沿孔壁上的動態行為與焊接小孔的動態波動關系密切。為了進一步探明激光照射在前沿孔壁上產生的物理現象，設計激光傾斜照射在板材上的試驗以模擬激光照射在傾斜的小孔內前沿孔壁上的狀態。拍攝觀察激光照射作用下材料的熔化與氣化行為，深入分析熔池流動狀態與蒸氣特征在不同的激光照射角度與不同的照射能量密度時的變化規律。結果顯示，激光照射作用下材料熔化形成的熔池表面易產生波動漣漪，且漣漪產生的頻率與移動速度隨照射激光功率密度的增加而增加。由于漣漪的存在使得漣漪處局部激光照射傾角發生改變，材料對激光的吸收率大幅提高，局部可產生更多蒸氣，在氣化反沖作用力下，漣漪可被剝離形成飛濺熔滴。

高功率激光；傾斜照射；蒸氣流；熔池行為

0 前言

激光深熔焊接過程中，小孔內部前沿孔壁是激光直接照射的區域，前沿孔壁上的動態行為直接影響孔壁對激光能量的吸收，影響孔壁上材料的熔化氣化行為。文獻[1-2]表明，孔內能量吸收的微小變動可導致小孔的劇烈波動或小孔塌陷。研究小孔前沿孔壁上的動態行為對進一步探明激光深熔焊接小孔行為和焊接穩定性機理具有重要意義。

現有文獻多從小孔上方和側面對小孔行為進行觀察研究[3-9]，結果顯示小孔內前沿孔壁具有傾斜現象，且在傾斜的前沿孔壁上具有明顯的特殊動態行為。如：前沿孔壁上會出現隨機的微小凸起，并迅速移向孔底[6]；前沿孔壁傾斜角度隨激光束的移動速度和小孔深度逐漸變化[8-9]。文獻[9]通過高速攝像從小孔上方觀察前沿孔壁上的微小亮點的移動速度，并將亮點的移動速度當作是小孔前沿孔壁上熔液的移動速度。由于小孔尺寸太小，無論是從上方觀察，還是側面觀察都難以捕捉到小孔前沿孔壁上的全部信息，無法觀察到小孔前沿孔壁上完整清晰的動態行為。

在前期研究中，采用耐高溫玻璃與金屬板材對接夾緊，激光束掃描對接處，形成對接焊縫，并從玻璃一側觀察激光焊接深熔小孔的孔壁動態行為[6]。觀察結果如圖1所示，激光束直接照射的區域為小孔內前沿孔壁，動態小孔壁的輪廓清晰可見，后沿孔壁形變較大，前沿孔壁具有小角度的傾斜。然而從側面只能看到小孔輪廓上的動態變化，不能觀察到完整的孔壁行為。為此，本研究設計了特殊試驗形式模擬激光束傾斜照射在小孔內前沿孔壁上的狀態，采用高速攝像拍攝觀察激光照射在傾斜表面上的完整過程，并研究分析激光照射作用下材料對激光能量的吸收、激光致材料蒸發氣化和材料熔化形成熔池的動態行為特征，以更深入理解激光深熔焊接小孔內動態行為。

圖1 激光傾斜照射在深熔焊接小孔內前沿壁上

1 試驗方法

激光傾斜照射在深熔焊接小孔內前沿壁上的模擬試驗方案如圖2所示。激光束傾斜照射在板A上，反射光則照射到板B上，板B到光束中心距離為30 mm。設置板B的目的是擋住反射激光，保證安全試驗；同時還能觀察到反射激光照射在板B上的產生的物理現象，以對比激光直接照射與反射激光的作用下的材料熔化氣化區別。試驗所用板材均為304不銹鋼。

圖2 試驗方案示意與試驗設備布置及試驗現場

分別采用黑白和灰色高速攝像機觀察熔池的動態變化和激光致金屬蒸氣流的變化特征，拍攝頻

率5 000幀/s。采用光源波長為980 nm的輔助光源和只可透過輔助光源的濾光片，與黑白攝像機匹配；采用可透過的輻射光為310～800 nm波長的濾光片與彩色攝像機匹配使用。

試驗過程中工作臺與試件板材同步平動，移動速度2 m/min，移動方向如圖2標記所示，其他設備均固定不動。

激光器為Disk固體激光器，最高可輸出功率為16 kW，激光束波長1.03 μm，聚焦光斑直徑0.28 mm，光束焦深為4.8 mm。輸出10 kW激光時，實際測量的能量分布隨離焦量的變化和束腰位置處的能量分布見圖3，束腰處激光能量密度可達1.7×107W/cm2。

圖3 碟片式固體激光器輸出激光束能量分布

試驗中輸出激光功率固定在10 kW，通過改變離焦量和激光束與板材之間的傾角，研究不同條件下激光與材料相互作用的特征和規律。離焦量為激光束與材料接觸的起始位置到束腰的距離，試驗中取0 mm、+5 mm和+10 mm的離焦量進行試驗，如圖4所示。試驗過程中激光入射角θ1在78°～88°變化[8-9]。高能激光傾斜照射時，材料表面上的激光照射區為橢圓形光斑，與圓形光斑相比激光能量密度發生了變化。依據近似三角關系采用如下計算式可計算橢圓光斑處激光的平均功率密度

式中Ie為橢圓光斑內激光平均功率密度；I0為離焦量處的圓形光斑內平均功率密度；θ1為激光入射角；P為激光功率10 kW；r0為離焦量處光斑半徑。離焦量分別為0 mm、+5 mm和+10 mm時，圓形光斑半徑r0分別為0.14 mm、0.31 mm和0.65 mm，依次計算得到不同離焦量處I0分別為16 240.3 kW/cm2、 3 312.3 kW/cm2和753.4 kW/cm2。進一步可計算得到不同激光入射角時橢圓形激光光斑的平均功率密度，如表1所示。

圖4 激光傾斜照射在材料表面上

表1 激光照射在材料表面上的平均功率密度隨激光入射角的變化

2 結果和討論

2.1 高能激光致材料熔化及熔池流動特征

在不同的離焦量和激光入射角度的激光傾斜照射試驗中，拍攝觀察激光照射作用下產生的熔池形態特征，如表2所示。結果顯示，激光照射在材料表面上形成了光滑的熔池表面，其表面產生了連續不斷的液體漣漪，并順著激光照射的方向流向熔池尾部[5]。此現象相似于激光深熔焊接過程中觀察到的（在金屬蒸氣反沖壓力作用下，小孔前沿熔化層順著激光照射方向向小孔底部流動，并在前沿壁上形成向孔底移動的皺褶[5-6]）。隨著離焦量由+10 mm減小到0 mm，漣漪產生的頻率大幅增加，漣漪流動的速度大幅增加，聚集到熔池的尾部的金屬熔液越來越多。隨著激光入射角的減小，觀察到與離焦量的減小時有相似的現象：表面漣漪增多、熔液聚集到尾部、熔液流速增加[5]。且隨著入射角減小，熔池在激光照射方向上長度減小，如表2所示。當離焦量較小且激光入射角較小時，局部熔液可被剝離在熔池尾部形成飛濺熔滴，如圖5所示。在本研究后面的分析中可知該現象是在高功率激光能量密度時

材料表面形成足夠大的氣化反沖壓力的作用下，熔液被剝離拋出而形成的飛濺。此現象證實文獻中討論的，在激光焊接時激光照射在傾斜小孔前沿孔壁出現的被蒸氣反沖力剝離的熔滴[6，10]。

表2 激光照射在材料表面上形成的金屬蒸氣

將檢測得到的熔池表面漣漪的移動速度表示為熔池表面熔液的流動速度，研究并分析離焦量和激光入射角對熔池速度的影響規律，如圖6所示。由圖6可知，離焦量或入射角的增加都會減小熔池流速。其原因是：離焦量或者入射角增加，對應材料表面上的橢圓形激光光斑的面積增大，功率密度減小；進而導致激光照射區表面材料的氣化率降低，氣化反沖壓力和因氣化引起的熔池波動減小，由反沖力驅動的熔池流速減小。當入射角度減小時，不僅光斑面積減小導致激光功率密度降低，且小角度入射時表面材料對激光的吸收率亦不斷增加。因此在較小的角度入射時，材料吸收的激光能量密度大幅增加，熔池流速大幅增加。熔池流速隨激光功率密度的變化規律如圖7所示，采用雙項指數方程對試驗數據擬合得到擬合線，其結果是隨功率密度的增加熔池流速呈指數形式增加。本試驗中熔池流速在2 m/s以內，當熔池流速在1.5 m/s以上時，曲線趨于平緩變化（見圖7）。可見熔池表面流速并非隨著激光能量密度的增大而無限增加。這是因為：①試驗中表面漣漪的移速受到邊沿處低溫熔池的阻尼

作用的限制；②更高的激光能量密度照射時，漣漪將被氣化反沖力剝離熔液表面形成飛濺。

圖5 熔池流動狀態的變化

圖6 熔池流動速度隨離焦量和激光入射角的變化規律

圖7 熔池流動速度隨激光功率密度的變化規律

試驗中觀察到隨著入射激光功率密度的增加，漣漪產生的頻率增加，表面熔池不穩定波動增強，如圖8所示，箭頭所指即為產生的漣漪。總結現有文獻，得到激光加工材料過程中熔池表面的不穩定波動現象產生的原因有：熱毛細不穩定，細微蒸發不穩定，材料去除率的不穩定，Kelvin-Helmholtz不穩定，Rayleigh-Taylor不穩定[10-12]。后兩種不穩定現象主要與焊接過程中孔內蒸氣流波動關系密切，熱毛細不穩定主要表現為小孔焊接時表面張力對小孔開口的影響，在本研究敞開的試驗條件下以上三者不作討論。本試驗中觀察到的熔池表面漣漪產生原因是材料蒸發氣化不穩定和氣化去除率不穩定導致[5]。隨著輸入激光功率密度的增加，材料氣化去除率大幅增加，漣漪波動頻率增加，氣化不穩定性大幅增加。由此分析可推測，萬瓦級高能量密度激光深熔焊接過程中，激光致氣化去除不穩定波動是導致深熔小孔孔壁形變波動及不穩定特征的主要因素之一[5-6]。

圖8 熔池表面漣漪

2.2 高能激光致材料氣化及蒸氣流特征

采用高速攝像機拍攝觀察在不同離焦量和激光入射角條件下，激光傾斜照射在材料表面上形成的金屬蒸氣行為特征。如表3所示，離焦量為+10 mm，入射角θ1為88°、86°、84°，以及離焦量為+5 mm，入射角θ1為88°時，高速攝像機并未拍攝到材料表面上形成的大量金屬蒸氣。前述分析得到，激光束以較大離焦和角度入射時，材料表面上激光功率密度較小，且大角度入射時材料對激光的吸收率較低，因此材料氣化量小。此分析在蒸氣行為拍攝結果中得到證實，較低的激光能量密度照射產生極少量的蒸氣，可推測此時的蒸氣反沖壓力也非常小。

試驗拍攝結果顯示，產生的金屬蒸氣流動方向多數情況下是與激光照射方向的逆方向一致，如表3所示。只有當熔池尾部產生噴出的飛濺時，部分金屬蒸氣才會隨飛濺一同流向激光照射的正方向，如圖9所示。圖9中分析了造成這種現象的原因。當激光照射作用在材料表面時，由于熔池表面形成了波動漣漪，漣漪處的激光入射角變小，漣漪局部對

激光的吸收率增加，材料氣化反沖力增加；而漣漪后面區域激光無法照射到，因此在漣漪兩側形成高壓和低壓的差別，漣漪在反沖壓力作用下從熔池表面被剝離而形成飛濺，而金屬蒸氣在壓力差的作用下隨飛濺一同噴出[5]。由以上現象可知，激光致金屬蒸氣反沖壓力是液態金屬流動和飛濺形成的主要驅動力，熔池表面的微小波動漣漪將極大地影響了局部液態金屬表面對激光能量的吸收效率[5，13]。

表3 激光照射在材料表面上形成的金屬蒸氣

如圖2所示的試驗方案中，通過放置板材B，對比觀察了激光傾斜直接照射與反射激光照射作用下材料氣化特征。如表3所示，激光直接照射時產生了大量高亮度金屬蒸氣，而在右邊豎直放置的板材B表面上難以觀察到反射激光照射產生的蒸氣現象。如圖10所示，進一步對比了激光直接照射與反射激光照射產生的蒸氣和材料的熔化區域，圖中結果是在離焦量為+5 mm、激光入射角度為86°條件下得到。圖中所示板材A熔化區域比板材B熔化區域大，可知激光直接照射在板材A上時大部分激光能量被吸收，而反射激光的能量和能量密度較低，只能在板材B上熔化少部分材料，且反射激光產生的金屬蒸氣量非常少。進一步證實前述分析結果——低功率密度激光作用產生的材料氣化量非常有限。由此可推測，激光深熔焊接時小孔內激光直接照射形成的材料熔化和氣化占主導作用。對于激光深熔焊接小孔后沿孔壁形變的產生原因，其中一種觀點認為從深入小孔內前沿孔壁上反射到后沿孔壁上的

反射激光可在后沿孔壁上產生局部氣化，形成的氣化反沖壓力對后沿孔壁產生擠壓作用而使其發生形變彎曲，如圖11所示。本研究試驗結果則否定了此觀點，反射激光由于其能量和能量密度較低，并不能使被照射表面產生大量蒸氣，形成的氣化反沖壓力不足以導致后沿孔壁形變。后沿孔壁的形變主要是小孔后方熔池內部復雜的流動狀態和小孔內波動的蒸氣壓力相互作用產生的結果[6]。其中小孔內波動的蒸氣壓力主要受到前沿孔壁上激光直接照射產生的反沖壓力的影響，由此可推測前沿孔壁上材料的氣化反沖壓力波動對小孔動態行為具有比孔內反射激光作用的更大的影響[14]。

圖9 金屬蒸氣隨飛濺一同流出

圖10 反射激光致材料熔化和氣化

圖11 后沿孔壁形變

3 結論

設計了激光束傾斜照射在板材上的試驗，模擬激光深熔焊接時激光照射在傾斜的小孔內前沿孔壁上的狀態，對萬瓦級高能量激光照射作用下的材料的蒸發行為與形成的熔池動態行為進行了深入研究，得到以下結論。

（1）激光傾斜照射作用下形成光滑熔池表面波動頻繁，產生連續不斷的液體漣漪，其產生原因主要是由于激光照射作用下表面材料的氣化不穩定導致。由于熔池表面存在漣漪，改變了局部表面對激光能量的吸收效率，使得熔池表面局部氣化反沖壓力劇增，導致漣漪被剝離而形成飛濺。

（2）激光與被照射材料表面之間傾斜角度的微小變化，可大幅改變作用在材料表面上的能量密度，從而改變材料的氣化量和熔池的波動行為。隨著照射激光能量密度增加，熔池表面波動加劇，產生漣漪更頻繁，表面熔池流速增加。

（3）當激光照射時的入射角較大或離焦量較大時，以及被反射的激光，因其具有較低的能量密度和激光能量而不能使材料大量氣化。

[1]Klein T，Vicanek M，Kroos J，et al.Oscillations of the keyhole in penetration laser beam welding[J].Journal of Physics D：Applied Physics，1994，27（10）：2023-2030.

[2]史平安，萬強，龐盛永，等.工藝因素對熔池小孔特征行為的影響[J].材料熱處理學報，2016，37（4）：228-235.

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Study on material evaporation and molten pool behavior induced by high power laser beam

LI Shichun1，2，DENG Hui1，2，ZHANG Yan3，CHEN Genyu3
（1.Hu'nan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult-to-Cut Material，Hu'nan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hu'nan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；3.Laser Research Institute，Hunan University，Changsha 410082，China）

The dynamic behavior on the front keyhole wall during deep penetration laser welding is closely related to the dynamic fluctuation of the keyhole.In order to explore the physical phenomena generated by the laser irradiation on the front keyhole wall，in this paper，the experiments has been designed and carried out to simulate the process of laser irradiating on the inclined front keyhole wall.In the experiments，the melting and vaporizing behavior generated by the laser irradiation on the metallic material surface has been observed.The variation rules of molten pool and vapor characteristics have been analyzed at different laser irradiation angle and different irradiation energy density.The results showed that the surface of the molten pool formed by the laser irradiation was easy to produce ripples，and the frequency and the movement speed of the ripples increased with the increase of the laser power density.Due to the ripples，the local laser irradiation angle changed and the local material of laser absorption rate was greatly improved，so the locally vapor was greatly improved.Thus，the evaporation recoil force increased and drove the ripples to be stripped from the molten pool surface to form the spatters and droplet.

high power laser；inclined irradiation；vapor flow；molten pool behavior

TG456.7

A

1001-2303（2016）10-0007-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.02

獻

李時春，鄧輝，張焱，等.高功率激光照射致材料氣化與熔池行為[J].電焊機，2016，46（10）：7-13，18.

2016-03-07；

2016-08-18

修回日期：國家自然科學基金資助（51505145）

李時春（1986—），男，湖南郴州人，講師，博士，主要從事高功率激光焊接技術與應用方面的研究工作。