摘要：振荡激光焊接因其在缺陷抑制、微观结构改进和性能力方面的优势而成为现代焊接研究的前沿领域之一。数值分析在加深对这一过程的理解方面发挥了重要作用。为了阐明振荡激光/激光-电弧混合焊接数值模拟的进展，综述了目前的研究成果。对模型建立、热源模式、边界条件设置和参数选择

摘要：

振荡激光焊接因其在缺陷抑制、微观结构改进和性能力方面的优势而成为现代焊接研究的前沿领域之一。数值分析在加深对这一过程的理解方面发挥了重要作用。为了阐明振荡激光/激光-电弧混合焊接数值模拟的进展，综述了目前的研究成果。对模型建立、热源模式、边界条件设置和参数选择进行了比较。总结了温度场和流场的计算特性。描述了对焊接现象的解释，例如形态、缺陷形成和凝固行为。最后，提出了一些建议供未来研究。

激光器的发展导致激光焊接在工业制造中的广泛采用 [1,2]。尽管激光能量很受欢迎，但激光能量的集中性质带来了一定的挑战，尤其是在使用高导热材料时。这些挑战包括增加的装配要求、温度梯度、飞溅、孔隙率、不匀的合金分布和应力集中 [[3]， [4]， [5]， [6]， [7]， [8]， [9]， [10]].为了解决这些问题，光学振镜扫描仪已在高功率激光焊接中实现 [[11]， [12]， [13]]。

振荡激光焊接是一种涉及激光束在熔池上搅拌的技术，其利用在推进焊接工艺方面显示出前景。它有助于提高间隙容忍度，减少飞溅，抑制孔隙率，使合金元素均匀化，并改善微观结构和机械性能[[14]， [15]， [16]， [17]， [18]， [19]， [20]， [21]].振荡激光焊接的发展历史如图 1 所示。这项技术已成为当前研究的重点。已经采用了各种方法来了解振荡激光焊接所涉及的物理机制。这些包括焊接玻璃和夹层结构的高速摄影观察，以及焊接过程的 X 射线观察 [[22]， [23]， [24]]。

然而，由于玻璃和金属材料之间的物理性能差异，以及夹层结构与实际结构之间的间隙，这些方法的适用性受到限制。此外，与 X 射线观测相关的高成本限制了其广泛使用。

振荡激光焊接具有独特的特性，需要特定的热源和用于数值模拟的物理模型。激光束在熔池上振荡引起的搅拌效应，以及由此产生的均匀能量场，引入了温度场和流场的复杂性和变化。为了解释激光焊接和振荡激光焊接之间的差异，采用了数值模拟建模和分析方法。这涉及三个主要部分：数值模型建模过程、仿真结果演示和数值仿真的物理交互。通过对这些方面的全面分析，本文旨在提供对振荡激光/激光-电弧混合焊接的数值模拟的见解，包括其对多物理场定律的影响。此外，本文还总结了各个方面的优缺点，并对未来的发展提出了建议。

图 2.（a） 双椭球热源模型 [43];（b） 高斯热源模型 [43];（c） Dingus 热源的简化叠加图 [44];（d） 高斯热源横截面形态 [36];（e） Dingus 热源横截面形态 [43]。

图 3.常用的振荡模式及其相应的轨迹方程[7,46]。

图 4.多种材料模型和网格划分方法 [36,50,52,53]。

图 5.菲涅耳反射吸收模型的示意图。

菲涅耳反射吸收模型。此外，如图 5 所示，在锁孔内，激光和等离子体之间的相互作用导致激光束在锁孔壁上多次反射。每次反射都伴随着激光能量的吸收，称为菲涅耳吸收现象。由于激光束的振荡行为增强了能量分布的均匀性，因此菲涅耳反射吸收的影响不能忽略。

在振荡激光焊接仿真中集成多物理场模型带来了与收敛和时间成本相关的挑战。为了应对这些挑战，研究人员经常采用 as 假设来简化模型，从而减少计算时间并提高增强收敛性。如参考文献[59–64]所述，在这种情况下，一些常见的模拟假设包括：假设小孔内的等离子体和金属蒸气是理想气体。这简化了它们在焊接过程中的行为和相互作用的建模。忽略保护气体效应。虽然保护气体是实际焊接场景中的一个重要因素，但忽略其影响有助于简化仿真模型。假设计算流体是牛顿流体且不可压缩。这种假设降低了流体流动计算的复杂性，并允许更高效的仿真。通过整合这些假设，研究人员的目标是在模型复杂性和计算资源之间取得平衡，从而实现更省时并具有改进收敛特性的仿真。需要注意的是，虽然这些假设有助于简化仿真过程，但它们确实引入了可能无法完全捕获真实焊接现象的所有方面的简化。必须仔细考虑和验证，以确保所选假设与仿真研究的特定要求和目标保持一致。

图 6.（a） 正弦 （b） 圆周振荡 （c） 无限振荡能量分布定律 [36‒45‒46]。

基于激光-物质相互作用，模型温度和流场随时间逐渐变化，最终达到亚稳态。焊接过程可分为三个阶段：热源作用的开始、亚稳态的维持和热源作用的结束 [65]。在初始阶段，随着激光作用时间的增加，熔池温度逐渐升高，熔化面积逐渐增大，熔池内部的反冲压力逐渐增大，锁孔出现并逐渐加深，熔体流动速率逐渐增大[40] [66]。亚稳态阶段是由于材料吸收激光能量及其熔化、传导、对流、辐射在动态平衡中消耗热量。因此，熔池和锁孔的大小和深度表现出动态稳定性[67,68];在激光相结束时，由于持续的热损失，熔池和锁孔逐渐减少并凝固，熔体流动速率逐渐降低到零 [35] [69]。

热源阶段增加了形成显著孔隙缺陷的敏感性 [47]。综上所述，本节旨在分析从亚稳态阶段开始引入振荡激光对温度场和流场的影响。如图 6 所示，很明显，随着振荡频率和振幅的增加，激光输入能量分布的峰值逐渐减小。此外，峰值能量位置从中心移动到两侧，从而在不断扩大的分布范围内产生更均匀的能量分布。比较图 6 （a） 和 （b），可以观察到圆周和无限振荡的扫掠场在空间中具有更长的轨迹。因此，与正弦振荡相比，空间中的能量分布更加均匀。然而，值得注意的是，这种均匀性的提高伴随着更快的峰值能量降低速度。振荡激光器引起的能量分布变化对焊缝形状有重大影响。如图 7 （a） 所示，在正弦振荡条件下，焊缝根部在中间呈凹形，两侧突出。这是因为与中间相比，侧面的能量密度要高得多。因此，焊缝的根部形状呈 W 形。如图 7 （b） 所示，对于低频圆周振荡，焊缝的根部池形状保持 U 形，但与传统激光焊接相比，根部熔体宽度增加。当振荡幅度和频率增加时，两侧较高的能量密度会导致 W 形底焊缝，这与 Wang 等人 [64] 的实验结果一致，如图 7 （c） 所示，由于能量分布更均匀，无限振荡变宽，熔池变浅。这些结果表明，振荡激光会显著影响能量分布，进而影响焊缝的形状。振荡频率、振幅和振荡模式的选择对于实现所需的焊接特性起着至关重要的作用。

图 7.振荡模式对焊缝形态的影响 [36‒44‒45]。

图 8.（a） 正弦振荡周期中的温度和流场 [51];（b） 圆周振荡周期中的温度场和流场 [71];（c） 无限振荡幅值对温度和流场的影响 [72]。

表 2 表明，与其他振荡模式相比，正弦振荡导致熔体宽度的最大膨胀和熔体深度的减少最小。这一观察结果归因于正弦振荡的较短轨迹和相同振荡频率下的最小重叠路径。然而，尽管实现了出色的熔体深度和宽度，但正弦振荡模式在抑制缺陷和确保焊接稳定性方面略微落后于圆振荡和无限振荡模式。在振荡激光焊接中，温度的控制主要涉及与能量峰值密度的权衡。这是通过利用激光振荡来扩大热源面积，从而增加锁孔的开口并增强其稳定性来实现的。然而，由于热源扩大，这种方法也会导致熔池变得更宽、更浅。因此，熔池深度与宽度的比率逐渐减小。虽然这种现象对于具有高熔化宽度要求的焊接场景有利，但它对要求增加熔化深度的应用提出了挑战。对于需要更大熔化深度的焊接情况，选项是有限的。增加激光功率或升级激光设备成为补充激光能量的必要条件，在这种情况下，这是一个不利的策略。由激光束横向振荡产生的正弦振荡激光焊接导致熔池中高温区域的表面积扩大。在广泛的流动环境中，由于高温锁孔，熔融材料的持续反向流动产生了相当大的回流区域。这种回流之间的碰撞和熔融流的反向运动导致熔池内形成涡流。如图 8 （a） 所示，在激光焊接过程中，熔融金属流向锁孔后部并与回流碰撞，导致涡流。由于回流速度很低，因此涡流位于熔池的尾部。激光在材料表面以正弦图案的摆动运动导致在锁孔后面形成碰撞效果。当激光束位于两侧的正弦位置时，碰撞效应相对于中心更明显。

与正弦振荡相反，圆周振荡增强了锁孔的回转运动。这种回转运动不仅有利于凝固区域的再熔化，从而实现更均匀的温度场分布，而且还对熔池施加了强大的搅拌作用。这种搅拌作用使得在熔池内更容易形成漩涡。如图 8 （b） 所示，

正弦振荡通过激光束的折射运动放大激光轨迹，从而产生更均匀的能量密度。同时，这些振荡促进的均匀温度场有助于预热，从而提高锁孔的稳定性。如图 9 （a） 所示，激光焊接在锁孔中窄而深，熔池中的熔体流动主要从底部流向表面，并对锁孔壁产生冲击，这种行为容易造成锁孔壁塌陷并形成气泡，正弦振荡激光焊接， 锁孔开口变大，熔池宽度增加，并且随着激光束的周期性振荡，锁孔两侧的熔体流动分布区域也发生周期性变化。在圆周振荡过程中，高速熔流在熔池内剧烈碰撞，导致涡流的产生。如图 9 （b） 所示，在圆周振荡循环期间，焊缝截面中的熔体流动主要以锁孔后面的涡流为代表，该涡流通过锁孔的挤压作用随振荡循环周期性地重复，如它在熔池中上下浮动的位置所示。无限振荡在熔池内引起更复杂和强烈的熔体流动运动，这归因于其更大的扫掠场和复杂的振荡行为。如图 9 （c） 所示，与磁振荡相比，由于其扫掠场较大，无限振荡将焊缝横截面中的涡流数量增加到 2-3 个，并且涡流的数量与振幅线性关系呈线性关系。

图 9.（a） 正弦振荡周期中的温度和流场 [51];（b） 圆周振荡周期中的温度场和流场 [36];（c） 无限振荡幅值对温度和流场的影响 [72]。

图 10.（a） 振荡速度对上下锁孔宽度变化幅度的影响 [80];（b） 振荡路径中锌蒸气速度的变化规律[53]。

如图 10 所示，Wan 等 [80] 观察到，锁孔上的不平衡力导致锁孔开口的振幅增加，这是过度飞溅的原因。他们对镀锌钢飞溅的比较分析，以及熔池在不同正弦振荡频率下的稳定性，揭示了一个至关重要的见解。具体来说，只有当振荡频率与锁孔开口的变化频率（135 Hz，由熔池的物理特性决定）一致时，锁孔上的强大力平衡才能实现稳定性，从而降低锁孔开口的振幅。这种振幅的降低最终导致振幅并最终抑制飞溅。这种细致入微的解释为有助于降低振幅和有效抑制焊接过程中飞溅的机制提供了有价值的见解。Hao等[53]总结了一项关于锌蒸气对锁孔后壁影响的综合研究，确定它是导致飞溅和锁孔不稳定的重要因素。他们的研究进一步深入研究了低速正弦和圆振荡对锌蒸气进入锁孔速度的影响。研究结果表明，40 Hz 的低速正弦振荡在抑制锌蒸气速度方面特别有效，从而保持锁孔稳定性并减少飞溅。有趣的是，该研究还强调了圆周振荡的独特行为。圆周振荡过程中的正向进料运动会产生高速锌蒸气，而向后进料行为几乎消除了零锌蒸气速度。值得注意的是，当以相同的振荡频率向前馈送时，沿焊接方向的速度分量在圆周振荡中大于正弦振荡。在激光焊接中，导致形成大颗粒和高速飞溅的主要因素是锁孔的不稳定塌陷和高能金属蒸汽推动的液态熔滴喷射。锁孔不稳定性主要是由熔体流和金属蒸气对锁孔的影响，以及锁孔内舌片的生长引起的，最终导致锁孔闭合。对振荡激光焊接的研究表明，激光束的振荡行为可以增加锁孔开口面积，减少锁孔内凸起的舌片数量[44]。事实证明，这种效果有助于提高锁孔对熔体流动和金属蒸汽影响的抵抗力，从而降低锁孔闭合的可能性。因此，振荡对由锁孔不稳定性引起的飞溅表现出强大的抑制作用。然而，大多数关于通过振荡抑制飞溅的现有研究都集中在低振荡速度上。挑战出现在高速振荡中，这会增加熔融液的熔融度

图 11.（a） 坍塌时锁孔内温度、流速和压力的变化[87];（b） 正弦振荡激光焊接循环过程中熔池体积和锁孔深度的变化 [45];（c） 振幅和频率的圆振荡激光焊接振荡对熔池流动和熔池形状的影响 [36];（d） 无限振荡激光焊接中振荡频率对熔池和锁孔的影响 [44]。

Pang等[87]认为，锁孔内壁位置和方向的动态蒸发现象是锁孔内部复杂且多向的蒸汽羽流的内因。他们对激光焊接过程的数值模拟，特别是针对 304 不锈钢的数值模拟，提供了给出了锁孔坍塌时锁孔形态、温度 f ield、流场和压力场的详细和具体数据。该模拟表明，锁孔坍塌瞬间的温度上升到 3400 K，超过了锁孔壁的平均温度 2900 K。这种温度波动导致熔体流动速度（从 11 m/s 增加到 45 m/s）、射流羽流和压力显着增加。升高的压力与塌陷的锁孔相结合，促进了周围空气进入锁孔，导致被困气泡的形态并解释了气孔形态现象。3 至 35 mm 3 如图 11 （b） 所示，Chen 等人 [45] 表明，正弦振荡激光束可以增加熔池体积（从 15 mm 开始）。此外，它还会引起锁孔深度的变化，从不明显的波动转变为 1 mm 的波动放大。这种转变归因于抑制孔隙率的规则正弦 f luctuation，导致从 7 % 显著下降到 0 %。如图 11 （c） [36] 所示，Shi 等人认为气泡迁移速度的增加是孔隙率降低的主要原因。通过对圆周振荡激光焊接304不锈钢的数值模拟，得出当振荡激光器加速气泡迁移速度时（当振荡频率为100 Hz，振幅为0.5 mm时，迁移速度为340 mm s 1）且浮动速度高于熔合的平均凝固速度线 （33.6 mm S 1） 中，气泡会溢出熔体。池;当锁孔的重熔速度大于气泡向后移动的速度时，气泡可以被捕获并直接从锁孔中逸出。如图 11 （d） [44] 所示，无限振荡中的大锁孔和浅熔池使气泡和锁孔速度更容易达到阈值，并且在高频振荡中锁孔壁前端的突起数量出现折痕，坍塌的概率降低。这提供了另一种解释。

总之，消除熔池中气泡的机制涉及三种主要方法：稳定锁孔以减少气泡的产生，允许气泡从熔池中自由溢出，以及捕获锁孔内的气泡。这些抑制机制中的每一种都有一个特定的阈值。例如，锁孔必须满足以下条件：具有足够大的开口面积，以承受熔体流动和金属蒸汽的影响。另一方面，气泡必须遵守打破涡旋限制并确保在全球范围内超过熔融线凝固速度等条件，锁孔的再熔速度超过向后气泡的速度。在振荡激光焊接中实现这些条件需要更高的振荡速度和更复杂的振荡图案。无论如何，这些行为还会导致激光线能量密度降低以及熔体深度降低等现象。因此，在当前主流的激光条件下，振荡激光焊接最适合于中低厚度的焊接应用，其在厚板焊接中的广泛应用受到限制。

图 12.（a） 振荡幅度对 Ni 和 Al 元素偏析的影响 [89];（b） 圆振荡激光焊接中等轴和柱状晶体的重熔过程示意图 [71]。

ND 熔池中的填料导致快速凝固和 Crys tallization。化合物的不同结晶温度会引起元素偏析，提高低温结晶区的脆性和裂纹倾向，从而影响焊缝的机械性能。研究人员已经解释了振荡激光焊接抑制元素偏析和细化晶粒的物理机制。例如，华中科技大学假设，振荡激光束引起的高速熔体流动在稀释、均质和均质化熔池中的元素方面起着至关重要的作用，导致晶粒如图12（a）所示，Wang等[89]将焊缝下部Ni和Al的高浓度归因于锁孔壁处的高速矢量， 在激光焊接过程中指向熔池内部。他们对以镍箔为中间层的 Al Si 冲击钢进行振荡激光焊接进行了数值模拟，为减少 Ni 和 Al 宏偏提供了解释。这种减少归因于振荡激光焊接中强大的搅拌效应导致熔池中的强对流。如图12（b）所示，Chu等[71]发现振荡激光的重熔效应导致熔池中的温度升高，导致等轴晶体和柱状晶体的重熔，并且在重熔过程中消除了枝晶面。枝晶壁经过结晶化、重熔和再结晶等过程，导致振荡激光焊缝的晶粒细化。在异种材料焊接或元素强化中，更多地关注合金元素的分布和晶粒结晶的过程。然而，专门针对这一特定领域的数值模拟研究的文献很少。控制振荡激光对溶质分布和凝固以及结晶影响的物理机制仍不清楚且研究不足。

5. 结论本文全面概述了振荡激光焊接的数值模拟模型，介绍了温度场和流场的计算结果，并对焊接的未分解物理机理提供了见解。指导数值建模的基本原则涉及对计算精度、时间成本和收敛性的平衡考虑。针对不同的材料和焊接方法量身定制了适当的物理和工艺参数以及假设。虽然现有振荡激光焊接的数值模拟主要集中在温度场和流场上，但在应力场的模拟中仍然存在明显的差距，其中精度主要通过与实际焊缝形态的比较来评估。不同的振荡模式，例如正弦、圆形和无限，会导致温度和流量的变化。圆周和无限振荡以及高速振荡在实现更均匀的能量分布、复杂的熔体流动和稳定的锁孔方面具有优势。然而，这些优势是以牺牲穿透深度为代价的。因此，如何在保证熔深的同时获得更稳定的焊缝是未来的研究热点。激光-电弧混合焊接提出了一种更有前途的解决方案，提供了一种更全面的方法。振荡激光焊接数值模拟的未来工作应该是加强对应力和传质结晶物理机制的理解，而更有利的振荡激光-电弧混合焊接在光热和物质的相互作用方面具有优势，熔池和锁孔的运动行为以及缺陷抑制机制等方面也将是未来的重点领域。

来自：高能束加工技术与应用

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟