摘要：振荡激光-电弧复合焊（O-LAHW）可均匀化熔池温度分布和液态金属动态行为，是最有前途的熔化焊接技术之一，但对熔池热流行为和均匀化机理的研究尚不足。本研究建立了高速旋转高斯激光热源与双椭球电弧热源耦合的数值模型，并开发了新的流体体积（VOF）离散算法，实现了铝

导读

振荡激光-电弧复合焊（O-LAHW）可均匀化熔池温度分布和液态金属动态行为，是最有前途的熔化焊接技术之一，但对熔池热流行为和均匀化机理的研究尚不足。本研究建立了高速旋转高斯激光热源与双椭球电弧热源耦合的数值模型，并开发了新的流体体积（VOF）离散算法，实现了铝合金O-LAHW的高精度模拟。通过对熔池横/纵截面进行切片，探究了光束振荡一个周期内温度场和流场的空间演变情况。研究发现，光束振荡使温度场的均匀性得到提高，尤其是沿焊接方向，与非振荡焊接相比，温度场的均匀性提高了30%。激光-电弧混合焊接（LAHW）流场分析表明，不同区域存在明显的速度差异，激光-电弧耦合区受到持续冲击，加剧了小孔波动。O-LAHW将最大速度差异降低了2.4倍，提高了稳定性。光束振荡引起的高速环流改变了耦合区液态金属的流动方向，预先将液滴跃迁引起的冲击波从激光小孔转移开。此外，向后传播的液态金属将热量从液滴传输到熔池尾部，破坏了微涡流环流，提高了整个熔池的流动稳定性和温度均匀性。这些发现对于深化对O-LAHW过程的认识程度和实现O-LAHW熔池的有序调控具有重要意义。

主要图表

图 1. 几何网格模型的尺寸：（a）建模几何边界；（b）网格划分和解决方案域（红色字母“O”代表三维坐标的原点）。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图2. 流体边界追踪原理：（a）传统VOF方法；（b）VOF-离散方法。

图 3. 振荡激光-电弧混合实验装置示意图。

图 4. 熔池不同横截面位置示意图。

图5. 温度测试结果：（a）熔池热成像；（b）瞬时温度曲线；（c）非振荡熔池A2段温度曲线；（d）振荡熔池A2段温度曲线。

图6 无振荡条件下熔池形貌验证，(a0)、(b0)、(c0)为不同时刻高速摄影拍摄的熔池形貌，(a1)、(b1)、(c1)分别为相应时刻的模拟结果。

图7 圆周振荡条件下熔池形貌验证，(a0)、(b0)、(c0)为不同时刻高速摄像机拍摄的熔池形貌，黄色实心圆代表振荡轨迹，红色圆点代表激光位置；(a1)、(b1)、(c1)分别为相应时刻的模拟结果。（关于本图例中颜色引用的解释，读者可参阅本文的网络版。）

图8. 焊缝截面形貌验证，(a1)非振动截面A1；(a2)非振动截面A3；(a3)非振动凝固截面；(b1)振动截面A1；(b2)振动截面A3；(b3)振动凝固截面。白色虚线表示熔合线。

图9. O-LAHW熔池横截面的温度场分布：（a-d）横截面S1～S4；（e-h）横截面A1～A4。

图10. O-LAHW熔池温度分布：（a）S1~S4段；（b）A1~A4段。

图 11. LAHW 和 O-LAHW 熔池温度梯度比较：（a）A1 ~ A4 段；（b）S1 ~ S4 段。

图12. O-LAHW熔池流场分布：（a-d）截面S1至S4；（e-h）截面A1至A4。黑色箭头表示熔体流动的方向。

图 13. O-LAHW 熔池流速分布：（a）截面 S1 ~ S4；（b）截面 A1 ~ A4。

图 14. LAHW 与 O-LAHW 流速比较：（a）A1～A4 段的峰值流速；（b）A1～A4 段的平均流速；（c）S1～S4 段的峰值流速；（d）S1～S4 段的平均流速。

图 15. 能量分布：（a）激光热源；（b）振荡激光热源；（c）电弧热源。

图 16. LAHW 熔池的动态演化过程。图中黄色和白色箭头代表熔体流动的方向。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图 17. O-LAHW（f = 100 Hz，r = 0.5 mm）熔池的动态演变过程。图中白色箭头表示熔流方向，蓝色圆圈箭头表示振荡梁在不同时刻的位置。（有关此图例中颜色引用的解释，读者可参阅本文的网络版。）

图 18. (a)(b)(c) 为非振荡 LAHW 不同时刻熔池纵截面 S1 处的流场分布，(d)(e)(f) 为 O-LAHW 不同时刻熔池纵截面 S1 处的流场分布。

主要结论

主要研究结果如下：（1）与非振荡LAHW相比，O-LAHW（f=100Hz，r=0.5mm）熔池内温度场更加均匀，且焊接方向上均匀性增强更为明显，焊接方向上温度梯度差距减小30%，垂直焊接方向上缩小13%。 （2）与LAHW相比，圆振荡可以减小焊接方向和垂直焊接方向上的峰值流速差异，其中焊接方向差异减小21%，垂直焊接方向差异减小14%，且焊接方向上各截面平均流速提高13%以上，因此焊接熔池沿焊接方向的传热传质效率高于垂直焊接方向。 (3)研究发现，非振荡LAHW熔池的不稳定性是由于电弧力驱动下激光-电弧耦合区液态金属不断向激光小孔前沿冲击，加剧小孔波动，导致熔池前沿热量聚集，而熔池尾部则形成由Marangoni力驱动的微涡流循环。 (4)在O-LAHW熔池中，在熔滴过渡过程中，光束振荡产生的高速环流会提前改变耦合区液态金属的流动方向，减弱熔滴对激光小孔的冲击，提高熔池的稳定性。同时，光束振荡形成的环状流以周期性的脉动波纹形式向熔池尾部传播扩散，并一直延伸到熔池尾部。 激光材料加工（包括增材制造和焊接等）中的不确定性是困扰其实际应用的主要原因。数值模拟为再现过程提供了丰富的细节，未来可以应用数字孪生技术[46,47]实现过程的高度再现，从而实现对过程的精准调控。

主要信息

Dynamic behaviors and homogenization mechanism of molten pool in laser-arc hybrid welding with beam oscillation

来源：江苏激光联盟