激光与材料相互作用——匙孔效应

摘要：匙孔定义：当辐射照度大于10^6W/cm^2时，材料表面在激光作用下熔化和蒸发，当蒸发速度足够大，所产生的蒸气反冲压力足以克服液态金属表面张力和液体重力，从而排开部分液态金属时，使激光作用区处的熔池下凹，形成小坑；光束直接作用在小坑底部，使金属进一步熔化和气化

匙孔的形成与发展：

匙孔定义：当辐射照度大于10^6W/cm^2时，材料表面在激光作用下熔化和蒸发，当蒸发速度足够大，所产生的蒸气反冲压力足以克服液态金属表面张力和液体重力，从而排开部分液态金属时，使激光作用区处的熔池下凹，形成小坑；光束直接作用在小坑底部，使金属进一步熔化和气化，高压蒸气继续迫使坑底的液态金属排向熔池四周，从而使小孔进一步加深，这个过程继续进行下去，便最终在液态金属中形成一个类似锁眼的小孔 (keyhole)。当激光束在小孔中产生的金属蒸气压力与液态金属的表面张力和重力达到平衡后，小孔不再继续加深而形成一个深度稳定的小孔，这就是所谓“小孔效应”。

随着激光束与工件的相对运动，小孔呈现前沿略向后弯，后沿明显倾斜的倒三角状。小孔前沿是激光的作用区，温度高，蒸气压力大，而后沿温度相对较低，蒸气压力较小，在此压力差和温度差的作用下，熔融液体绕小孔周边由前端向后端流动，并在小孔后端形成一个旋涡，最后在后沿处凝固，上图所示为通过激光模拟仿真实际焊接得到的匙孔动态状态，不同速度下行进中的小孔形态和周边熔融液体流动的情况。

由于小孔的存在，使激光束能量深入到材料内部而形成了这种深而窄的焊缝，上图所示为典型的激光深熔焊焊缝断面形貌。焊缝的熔深和匙孔深度接近（精确的说，金相比匙孔深60-100um，差一个液相层），激光能量密度越大，小孔就越深，焊缝的熔深也就越大。在大功率的激光焊接中，焊缝深宽比最高可达 12:1。

匙孔对激光能量的吸收分析

在小孔和等离子体形成之前，激光的能量主要是通过热传导方式向工件内部传递，焊接过程属于传导型焊接（0.5mm熔深以内），材料对激光的吸收率在25-45%之间，而一旦匙孔形成之后，激光的能量则主要依靠匙孔效应而直接被工件内部所吸收，焊接过程变为深熔焊接（0.5mm以上熔深），吸收率能到60~90%以上。

匙孔效应对于加强激光焊接、切割、打孔等加工过程中对激光的吸收具有极其重要的作用，进入匙孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。

一般认为匙孔内激光的能量吸收机制包括两个过程:逆致吸收和菲涅耳吸收。

匙孔内的能量吸收——菲涅耳吸收

菲涅耳吸收是匙孔壁对激光的吸收机制，它描述激光在匙孔内多重反射的吸收行为。当激光进入匙孔后,在匙孔内壁上发生多次反射，每一次反射过程中，激光能量被匙孔壁吸收一部分。

图片素材：Mechanism study on the effects of power modulation on energy coupling efficiency in infrared laser welding of highly-reflective materials

从图左可以看出，钢对红外激光的吸收率约为镁的2.5倍，铝的3.1倍，金、银、铜的36倍。对于高反材料而言，激光束在小孔内的多次反射是深熔激光焊接过程中吸收能量的主要机制。图右为不同反射率材料深熔激光焊接小孔壁吸收激光能量示意图。从图右可以看出，低吸收率导致高反射材料激光焊接时能量耦合效率较低（71％VS 97％），并且小孔底部吸收能量集中度较高。高反材料激光焊接过程中，沿小孔深度方向能量分布不平衡，加速了小孔的不稳定，从而导致气孔、虚焊和外观不良。

匙孔内的能量吸收——逆韧吸收

小孔吸收的另一机制是通过等离子逆韧致辐射吸收。光致等离子体不仅存在于小孔出口的上方而且充满小孔。激光被孔壁两次反射之间穿行在等离子体中，其能量一部分又为等离子体所吸收，等离子体吸收的能量通过对流和辐射传给孔壁。

两种吸收能量机制的作用和比重：小孔内吸收激光能量的两种机制对焊缝成形的影响是不相同的。等离子体吸收的能量大部分在小孔上部释放，下部释放少，易于获得“酒杯”状的小孔，而不利于小孔深度的扩展；而孔壁的 Fresnel 吸收释放的能量在小孔深度方向相对较为均匀，有利于增加小孔深度，最终获得较为深而窄的焊缝。从提高焊接质量和效率角度考虑，如果能够控制小孔内的等离子体对焊接稳定性更有利，激光调制、可调环模、复合热源等都是潜在有效的技术方案。

匙孔内压力平衡

激光深熔焊时，材料剧烈汽化，高温蒸气产生的膨胀压力将液态金属排开，形成小孔。小孔内部除了存在材料的蒸气压力、烧蚀压力(也称蒸发反作用力或反冲压力)外，还有表面张力、由重力引起的液体静压力以及熔融材料流动所产生的流体动压力。在这些压力中，只有蒸气压力在维持小孔张开，其他三种力都力图使小孔闭合。为保持焊接过程中小孔稳定，蒸气压力必须足以克服其他阻力，使其达到平衡状态，维持匙孔长期稳定存在。为简化起见,一般认为作用在匙孔壁上的力主要是烧蚀压力（金属蒸汽反冲压力）和表面张力。

匙孔的不稳定性

背景：激光作用在材料表面，大量金属蒸发，反冲压力向下压迫熔池，形成匙孔，以及等离子体，熔深增加。行进过程中，激光打在匙孔前壁上，激光接触材料的位置皆会导致材料剧烈蒸发，同时匙孔壁出现质量缺失，且蒸发形成反冲压力也向下压迫液态金属，导致匙孔内壁在波动向下绕过匙孔底部向匙孔后部熔池运动，由于液态熔池是波动从前壁向后壁运动，导致匙孔内部体积不断处于变化中，匙孔内部压力也随之变化，压力变化导致喷涌而出的等离子体体积变化，等离子体体积变化，导致遮蔽、折射、吸收激光能量变化，使得激光到达材料表面的能量发生变化，整个过程是动态的，周期性的，最终导致金属熔深是锯齿状、波浪形，并不存在平滑的等熔深焊缝，上图为沿焊缝平行中心纵切得到的焊缝中心截面图，以及IPG-LDD 实时测量的匙孔深度变化图佐证。

提高匙孔稳定性方向

激光深熔焊时，依靠小孔内各种压力的动态平衡才能保证小孔的稳定性。但是，孔壁对激光能量的吸收和材料的蒸发，金属蒸气向小孔外的喷发，小孔和熔池的向前运动等都是十分剧烈和快速的过程。在一定工艺条件下，在焊接过程中的某些时刻，在小孔内的局部地方，有可能小孔稳定性被破坏而产生焊接缺陷。其中最典型，最常发生的就是小孔型气孔缺陷、以及匙孔坍塌所致飞溅；

所以如何稳定匙孔？

匙孔流体波动较为复杂，涉及要素过多（温度场、流场、力场、光电物理），可简单归纳为两类：表面张力和金属蒸汽反冲压力的关系；金属蒸汽反冲压力直接作用于产生匙孔，与匙孔深度、体积密切相关，同时作为金属蒸汽作为焊接过程唯一向上运动的物质，还与飞溅的发生息息相关；表面张力则影响熔池的流动；

所以稳定激光焊接过程就在于保持表面张力在熔池的分布梯度，不要有太大波动，表面张力与温度分布有关，温度分布与热源有关，所以复合热源、摆动焊接都是稳定焊接过程的潜在技术方向；