南京航空航天大学占小红教授团队:从X到Y——TC4钛合金不等间隙激光焊接熔池形态的演变密码

试验选用1.2 mm厚TC4钛合金板材，激光器为通快TruDisk-12003型光纤激光器，配合KR60 HA焊接机器人。板材由夹具夹紧，焊缝间隙从起始段0 mm沿焊接方向线性增大至终末段0.2 mm。焊前通过激光视觉设备获取间隙信息，系统实时调整激光功率（1.1~1.3 kW）与离焦量（4~6 mm），焊接速度1.2 m/min，实现自适应焊接。

基于试验结果，建立三维瞬态热-流耦合模型，控制方程包含质量、动量与能量守恒方程，热源采用高斯面热源与高斯圆柱体热源组合模型。网格最小单元边长0.05 mm，总量514 560个。模型验证结果如图3所示，起始段X形焊缝与终末段Y形焊缝的仿真轮廓与试验结果吻合良好。

图3  TC4 钛合金不等间隙激光焊接热-流耦合模型验证结果

熔池流动行为的差异

自适应焊接过程中，起始段与终末段分别呈现X形和Y形两种熔池。起始段间隙小、激光能量密度高，匙孔较深，尖端流体最高流速1.468 m/s，强烈冲击熔池底部并在表面张力作用下向四周流动，形成底部环流，构成X形熔池。终末段间隙增大，激光能量密度下降，匙孔尖端流速最高仅0.615 m/s，为起始段的42%，不足以冲击熔池底部，无法形成稳定的Marangoni环流，呈现Y形熔池。两种熔池的温度场与流场对比见图4和图5。

图4 X形熔池横截面温度场及流场分布结果

图5 Y形熔池横截面温度场及流场分布结果

匙孔形态演变与受力机制

X形熔池对应长锥形匙孔，壁面流体分为三层：上部沿壁面向上（均速0.973 m/s）、中部绕壁面流动（均速0.530 m/s）、底部沿壁面向下的高速区域（均速1.416 m/s）。Y形熔池对应扁平陀螺形匙孔，壁面几乎只存在向上流动的流体，均速仅0.670 m/s。

受力分析表明，随激光能量密度减小，匙孔壁温度降低，反冲压力下降，平衡状态被打破：匙孔壁处熔融金属被向上推动使孔径减小，但光斑半径与间隙增大又使表面熔池变宽、匙孔开口增大，尖端则因反冲压力减小而缩短，匙孔最终由长锥形转变为开口大、深度小的陀螺形（图10）。

图10 匙孔壁区域局部受力情况演变过程

熔池流动对焊缝轮廓的影响

表面张力与反冲压力是熔池流动的主要驱动力。熔池上表面始终存在由二者共同驱动的Marangoni环流，只是随功率密度下降由高速变为低速。熔池底部则差异显著：高能量密度时，匙孔尖端强反冲压力驱动高速流体向下冲击，底部形成高速Marangoni环流，凝固后为X形焊缝；低能量密度时，反冲压力不足以驱动底部冲击，底部无法形成环流，凝固为Y形焊缝。

图11 X形焊缝熔池流动行为对焊缝轮廓的影响规律

图12 Y形焊缝熔池流动行为对焊缝轮廓的影响规律

1.在TC4 钛合金不等间隙自适应激光焊接过程中，存在长锥形和陀螺形两种匙孔形态.在长锥形匙孔作用的熔池区域，其上下表面附近存在两股环流，上表面是主要由表面张力驱动的Marangoni环流，下表面则由反冲压力主导，表面张力共同驱动的环流.而陀螺形匙孔作用的熔池区域则不存在下表面环流.

2.TC4 不等间隙自适应激光焊接过程焊缝轮廓形状差异与熔池内流体流动行为及匙孔动态行为密切相关.随焊接间隙增大，所需的光斑半径扩大，作用于熔池的激光功率密度快速下降，减小熔池内反冲压力的同时抑制了熔池内流体的高速流动，使得熔池由X 形向Y 形演变.