激光焊广泛应用于汽车、航空航天等制造领域，这些领域的需求特征有焊接熔深大、变形小、表面光洁度和自动化程度高。激光热源因固有的灵活性可采用连续波（CW）和脉冲波（PW）两种能量输出方式进行焊接。CW模式表示激光输出功率恒定，PW模式表示激光输出功率周期性变化。由于能量输出方式的不同，CW和PW模式的主要焊接参数存在相对差异。CW模式的主要焊接参数包括激光功率、焊接速度、聚焦位置和光束直径，而在PW模式中，除CW焊接参数外，焊接参数还包括脉冲频率、脉冲持续时间、平均功率和峰值功率。激光焊通常采用CW模式，而在需要可控热输入和冷却速率的条件下，应首选PW模式。

CW和PW两种模式的激光焊接特性不同，有学者指出相同条件下后者具有更大的熔深，能较好地抑制气孔。虽然两种模式下的焊接接头具有相似的静态力学性能，但后者接头具有更好的疲劳性能。总之，PW模式在激光焊中的有益作用已被广泛接受。然而，很少有涉及CW和PW模式中物理过程差异的研究，例如钥匙孔动力学和熔池行为。鉴于CW模式的物理过程已有广泛的研究，因此需要进一步弄明白PW模式的物理过程，以使其能有效应用。

激光焊的物理过程十分复杂，涉及多种同时发生的现象。由于母材合金元素的局部过热和蒸发，高功率激光束形成了一个被液态金属包围的深蒸汽腔，也被称为匙孔。熔池内液态金属在多种力量的作用下剧烈流动。小孔和熔池行为是决定焊缝几何形状、表面光洁度、冷却速度、凝固组织等焊缝属性的两个主要现象因素。目前已有大量实验分析了匙孔和熔池行为，但所得的认识有限，而且实验价格昂贵，费时费力。通过对三维瞬态小孔和熔池行为的数值模拟，可以对实验时难以观察的复杂物理现象进行分析，因此，数值模拟是全面了解激光焊过程中复杂物理现象的有效方法。

近二十年来，激光焊数值模型从固定小孔测量的稳态传热计算发展到追踪流动液汽界面的多物理热流计算，形成了多种多样的数值模型。以Rai等人、Pang等人、Cho等人为代表，已对CW激光焊进行了比较充分的数值模拟，但是很少有人考虑PW激光焊。因此，需要对PW激光焊的小孔动力学、熔池行为和凝固特性进行详细的数值分析，以提高对PW模式的物理认识，实现其有效应用。

针对这一问题，2022年6月27日，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室姜梦等人撰写的Numerical study of thermal fluid dynamics and solidification characteristics during continuous wave and pulsed wave laser welding在International Journal of Thermal Sciences期刊上发表，通讯作者为姜梦、陈曦和陈彦宾教授。本文采用三维多物理热流体模型，对激光焊过程中的热流体行为和凝固特性进行了数值模拟，同时考虑了CW和PW模式。该模型包含了传热、热流体流动、Fresnel吸收、金属蒸发引起的反冲力、表面张力驱动的Marangoni效应、自由表面追踪和激光在小孔内的多次反射等主要物理因素。采用VOF法对小孔壁面和熔池自由面进行了计算。利用316L不锈钢激光焊接实验结果对模型进行验证，对比两种焊接方式的温度场、小孔动力学和热流体流动行为，弄清楚其物理过程的差异。根据温度场计算得到的两种模式的冷却速率和凝固参数，解释了两种模式凝固组织的差异。

图1 CW与PW激光焊示意图

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107778

本项目获得了国家自然基金项目、省级科技重大专项和博士后科学基金项目的资助。

结果如下：

图2 激光热源模型

图3 网格划分示意图

图4 数值计算和CW、PW激光焊316L不锈钢接头横截面对比

图5 数值计算和CW、PW激光焊316L不锈钢熔池表面对比

图6 CW模式下匙孔动力学特征

图7 CW模式下熔池内速度场特征

图8 PW模式下匙孔动力学特征

图9 PW模式下熔池内速度场特征

图10 计算的CW和PW激光焊的凝固参数G/R和冷却速率GR

图11 CW和PW激光焊接头横截面的SEM图

图12 数值计算和实验测量的CW和PW激光焊SDAS对比

结论：

（1）模拟的接头横截面和熔池表面与实验观测结果吻合较好。相同热输入条件下的PW模式熔池体积小，熔深大。相同穿透深度下的PW模式热输入较低。CW激光焊的小孔形状不稳定，但其熔深相对稳定。

（2）熔池主要有两种流动模式：从匙孔出口向外流至后熔池，从匙孔尖端顺时针方向流至后熔池。PW模式的匙孔和熔池行为随激光输出能量的周期变化而呈现周期性行为。周期性流体流型主要受表面张力和反冲力突然变化的影响。此外，有一股向内流动从熔池尾缘朝向小孔壁，这是由液态金属的液体静压引起的。

（3）计算结果和实验结果表明，由于较高的冷却速度，PW模式下接头具有更精细的微观组织和更小的二次枝晶臂间距。