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user: 4. 理论研究金属蒸气与熔池流动的影响 激光深熔焊接过程是一个固-液-气-等离子体的多相耦合、以及传热传质的复杂物理过程，其中涉及到的主要力学行为包括：材料蒸发的反冲压力、蒸气流与熔池流体动压力、熔池流体静压力、熔池流体表面张力、温度引起的热毛细力(Marangoni力)、蒸气流对熔池壁的摩擦力、熔池内部粘性力及浮力等。由于激光焊接过程的短暂性、深熔小孔的尺寸限制，试验研究其中的力学特征难度极大，更多情况下采取理论计算模拟方法对其中的动态力学耦合行为进行研究。 激光深熔焊接是以热输入为主导的过程，理论模拟计算通常在热输入前提下进行。如，Kaplan [ 39 ] 重点研究激光深熔焊接能量平衡、小孔内激光束的多次反射吸收、蒸气等离子体的吸收等因素，建立了激光深熔焊接小孔计算模型。Fabbro和Chouf [ 40 ] 在建立类似小孔模型时分析得出，孔壁上持续吸收激光能量与小孔壁相对稳定密切相关，相对来说后沿孔壁没有得到激光直接照射而显得非常不稳定。Klein等人 [ 41 ] 建立了激光焊接小孔数学模型，并重点考虑了包括烧蚀压力、蒸汽动压力和表面张力的动态力学特征对小孔稳定性的影响，研究得出：小孔出现多个方向上的震荡，其频率可达1000 Hz，与试验中声光信号检测到的频率处于同一水平。进一步研究还得出，激光功率对小孔震荡影响非常大，1%的功率波动即可导致小孔剧烈波动而塌陷。此研究结果告诉我们，激光深熔焊接过程中激光能量的吸收与焊接过程的力学平衡、及过程稳定性关系密切。 Postacioglu等人 [ 42 ] 建模分析研究了激光焊接过程中熔池表面因温度梯度引起的表面张力变化的热毛细流动的特征，通过对比线性理论和非线性理论情况下计算的结果，得出采用非线性模型的边界层理论计算的热毛细力对熔池流动的影响更接近试验结果。Mizutani等人 [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] 对激光深熔焊接小孔力学特征进行分析，建立了简易数学模型研究速度变化与小孔稳定的关系，得出孔内熔池壁上表面张力是影响小孔稳定的重要因素，同时也是小孔底部气孔产生的主要因素，此结果与X射线观察到的小孔特征和气孔产生特征非常接近。Kou等人 [ 46 ] 建立的电弧焊接三维准稳态模型中，计算了浮力和表面张力梯度作为液体金属流动的驱动力对熔池流速的影响，得出表面张力梯度引起的速度可达 3 m /s，而浮力引起的熔池流动速度为 9 mm /s。叶小虎等人 [ 47 ] 模拟了熔池的瞬态演变过程，分析了激光深熔焊接过程中的三维熔池流动和传热，结果得出熔池表面的热毛细力引起的熔池流动对焊接熔池传热影响很大，其作用可改变熔池内部温度场的变化。杜汉斌等人 [ 48 ] [ 49 ] 在分析激光穿透焊接熔池内部准稳态与传热模型得出，热毛细力引起的表面熔池流动是导致穿透焊“沙漏”状接头形貌的主要原因。王宏等人 [ 50 ] [ 51 ] 采用旋转高斯和双椭球模型相结合的热源模型对激光深熔焊接进行了模拟，分析焊接熔池流场。结果显示熔池的最大速度在表面，可达 1.4 m /s。可见表面的热毛细力引起的熔池流动非常重要。熔池内部漩涡产生的主要因素是表面的热毛细力和固-液界面的流体反冲力，液相的浮力和重力只起到辅助作用。 Semak和Mastunawa [ 52 ] 建立了激光材料相互作用前沿壁上的数学模型，考虑了激光作用熔池壁上的能量平衡、温度变化、熔化材料抛出速度、气化反冲压力、熔池气液界面移动速度等，分析结果显示，气化反冲压力是熔化材料抛出的主要因素，而熔化材料抛出带走的能量达到材料吸收的激光总能量的70%~90%。由此可见，气化反冲压力引起的熔池流动对激光材料相互作用的能量传递非常重要。此外，文中还得出激光材料作用区的熔池界面的移动速度则是由吸收的激光能量决定。Amara等人 [ 53 ] [ 54 ] 建立了小孔自适应激光焊接稳态模型，考虑熔池壁上Knudsen层的作用及激光的多次反射吸收，研究了局部蒸发作用、孔壁上的压力分布特征及蒸气流场特征。作者认为激光多次反射吸收导致的孔壁上局部能量吸收不均匀是影响孔壁上局部压力不一致及孔型变化的主要因素，而孔内蒸气流与熔池壁间的摩擦力加剧了孔壁上压力不平衡特征。在蒸气可压模型中，环境压力对蒸气特征影响很大。环境压力越小，蒸气流速越快，蒸气密度越小，孔内压力越小。1 bar的环境压力下蒸气流速可达 1660 m /s，蒸气密度在0.0441~0.196 kg/m 3 ，压力可超过大气压3.12 bar [ 54 ] 。后来，Amara等人 [ 55 ] 建立了激光焊接过程的瞬态模型，计算结果显示蒸气流对熔池壁的摩擦效应产生的熔池流动速度大于反冲压力侧向排挤的熔池流速，摩擦效应产生的附加速度为0.5~1.0 m/s，如图13所示。由此可知，激光深熔焊接小孔内蒸气流对熔池流场及熔池传热都有着不可忽视的作用。 然而，Dowden [ 56 ] 利用他提出的理论模型计算出，激光深熔焊接金属蒸气密度约为7.22 × 10 − 4 kg/m 3 ，蒸气动力粘度取3 × 10 − 4 Pa∙s，小孔尺寸取10 − 4 m，蒸气流速为 300 m /s时，计算得到小孔内部蒸气流动雷诺数不到1，远小于紊流雷诺数30。因此，Dowden认为深熔小孔内的金属蒸气流动为层流。由于金属液体和金属蒸气的巨大密度差(相差约108倍)，熔池内部金属液体的紊流是影响和导致小孔形状波动变化的主要因素，相比之下孔内金属蒸气对熔池壁的冲击作用非常小。Lee等人 [ 57 ] 建立的激光焊接瞬态模型，不考虑金属蒸气流对熔池的影响，计算结果显示当激光功率超过一定值时，在局部气化反冲压力和表面张力作用下，熔池壁上同时存在向上和向下的流动，从而导致小孔不稳定，熔池壁出现形变和凸起，形成小孔塌陷和气孔。计算结果还显示，张力梯度引起的热毛细流动对小孔波动的影响非常小。 Ki等人 [ 58 ] [ 59 ] 建立的三维复杂模型模拟激光深熔焊接过程，结果显示气化反冲压力是小孔形成的关键，孔内吸收激光能量的不均导致孔内气化反冲压力波动，是引起小孔波动的主要因素。Dasgupta等人 [ 60 ] 在Ki [ 58 ] [ 59 ] 等人建立的模型基础上模拟了镀锌板激光焊接锌蒸气对焊接过程的影响，计算结果表明锌蒸气流没有使熔池流速大幅增加，却使得熔池剧烈波动。锌蒸气流增加了孔内气流流速及其不稳定性，同时增加了孔内蒸气流的压力，蒸气压力可达到4 × 10 5 Pa左右，蒸气流速可达到 80 m /s。这种高压不稳定蒸气流是引起熔池波动、导致镀锌板焊接飞溅和气孔产生的主要因素。 Geiger等人 [ 61 ] 和Otto等人 [ 62 ] 建立了激光深熔焊接三维瞬态模型，模拟了激光深熔焊接过程。材料气化压力作用下小孔形成，小孔前沿壁上向下流的金属熔液使得小孔直径大小出现波动，在小孔周围金属熔液绕过小孔流向熔池后方，并在后方熔池下部形成不稳定的紊流现象，紊流熔池可导致后沿熔池孔壁出现波动变化。随着焊接速度的增加，小孔越发不稳定，金属熔液流速增加，气孔较容易产生。图14为熔池流动特征和气孔形成过程。 庞盛永等人 [ 63 ] [ 64 ] 提出一种三维间断数学模型，模拟了激光深熔焊接小孔动态变化过程及熔池流动特征。计算结果显示在稳定状态下小孔深度不断波动变化，且小孔存在不稳定震荡现象。当孔壁上的反冲压力、表面张力以及熔池流体的冲击力等出现不平衡时，孔壁上出现凸台。如图15所示 [ 63 ] [ 64 ] ，为孔壁上凸台由无到形成再到消失的过程。在进一步分析研究了小孔及熔池间的复杂流体动力学行为时得出，不考虑反冲压力时深熔小孔无法形成，熔池流速最大为 2 m /s，考虑反冲压力时形成深熔小孔和焊接熔池，熔池流速可达 10 m /s以上。表面张力和张力梯度引起的热毛细力对小孔深度均有影响，而热毛细力对熔池表面流动的影响甚为明显，力越大熔池表面波动越剧烈。 图13. 蒸气与熔池相互作用 图14. 熔池紊流及气孔形成过程 图15. 小孔内壁上凸台的形成过程 张林杰等人 [ 65 ] 模拟了激光熔透焊接过程侧吹气流对蒸气流与熔池动态变化的影响，仿真结果显示熔池存在膨胀和回流两个状态。膨胀时小孔扩大，熔池往外流；回流时小孔缩小，熔液往内流。赵海燕等人 [ 66 ] 仿真了激光深熔焊接多相耦合过程，分析了流出特征和小稳定性。小孔内反冲压力与表面张力平衡时，小孔应该是可以稳定存在的，但实际计算结果显示小孔处于剧烈波动状态，原因是焊接过程孔壁上的力处于不平衡状态。小孔的塌陷是由于熔池内部流场的上下部分流体相对流动导致。 Cho等人建立了三维激光电弧复合焊接 [ 67 ] 和纯激光焊接瞬态模型 [ 68 ] ，分析了焊接过程的传质、熔池的流动和小孔的稳定性。作者认为小孔内部的不稳定波动于孔内激光的多次反射导致局部气化压力增大有关。复合焊接时，熔池后沿较长，熔池下部的大部分熔池具有流向熔池后方的趋势，熔池内存在单个大范围的流体漩涡。激光焊接时，熔池底部以向熔池后方流动为主，并形成漩涡，最后流向上部熔池；而在上部熔池主要向后方流动，同时向后流的熔液携带了大量热量，而使得后沿熔池上部保持较宽的熔化区域，如图16所示 [ 68 ] 。在分析蒸气流的影响时发现，蒸气流的剪切力基本没有对熔池流动和小孔特征产生影响，蒸气流作为热源可使上表面熔宽增加；而热毛细力对熔池流动的影响不明显，相比反冲压力对熔池流动的影响，其作用微乎其微。