摘要

針對中厚板激光深熔焊接過程中匙孔不穩(wěn)定、熔池流動不均及焊縫組織性能沿板厚方向分布差異大的問題，提出一種基于宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、梯度導(dǎo)流紋理與活性元素富集區(qū)協(xié)同構(gòu)筑的可控導(dǎo)流界面方法。該方法通過超快脈沖激光在待焊接界面加工沿板厚方向漸擴(kuò)的宏觀導(dǎo)流通道，并在其內(nèi)表面制備微/亞微尺度梯度紋理，最后在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)定向沉積活性元素顆粒。焊接過程中，宏觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)蒸汽泄壓與壓力場調(diào)控，微觀紋理引導(dǎo)蒸汽動量場定向輸運(yùn)，活性元素通過改變局部表面張力梯度逆轉(zhuǎn)Marangoni對流方向，促使熔池金屬向焊縫根部定向輸運(yùn)。三種機(jī)制協(xié)同作用，實現(xiàn)壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場的耦合調(diào)控，有效抑制氣孔、飛濺及未熔合缺陷，提升焊縫厚度方向組織與力學(xué)性能均勻性。

1 引言

中厚板結(jié)構(gòu)件在船舶制造、軌道交通、航空航天及能源裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。激光深熔焊因其能量密度高、熱輸入低、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為中厚板高效連接的重要技術(shù)手段。然而，隨板材厚度增加，激光生成的匙孔深寬比增大，內(nèi)部金屬蒸汽排出不暢，引發(fā)蒸汽反沖壓力大幅波動、匙孔局部坍塌及熔池流動失穩(wěn)，導(dǎo)致氣孔、飛濺、未熔合等缺陷。同時，焊縫沿厚度方向熱循環(huán)差異明顯，熔池流動分布不均，焊縫截面呈現(xiàn)上寬下窄形態(tài)，進(jìn)一步造成微觀組織與力學(xué)性能沿板厚分布不均，削弱接頭整體力學(xué)性能。

現(xiàn)有研究多集中于優(yōu)化焊接工藝參數(shù)（如激光功率、焊接速度、離焦量）或采用輔助能場（如電磁場、超聲振動），但對焊接界面本身的主動設(shè)計與調(diào)控關(guān)注不足。本文提出一種在待焊接界面預(yù)先構(gòu)筑梯度導(dǎo)流功能界面的方法，通過宏觀導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、微觀導(dǎo)流紋理與活性元素富集區(qū)的多尺度協(xié)同構(gòu)建，實現(xiàn)對匙孔壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場的耦合調(diào)控，其中表面張力梯度的定向調(diào)控是實現(xiàn)熔池流動場優(yōu)化的核心機(jī)制。

2 技術(shù)原理

2.1 表面張力與Marangoni對流的基本關(guān)系

熔池表面Marangoni應(yīng)力由表面張力梯度驅(qū)動，表達(dá)式為：

其中τ_M為Marangoni應(yīng)力，γ為熔池表面張力，T為溫度。對于多數(shù)金屬材料，表面張力隨溫度升高而降低（?γ/?T < 0），因此在常規(guī)焊接條件下，熔池中心高溫區(qū)表面張力低于邊緣低溫區(qū)，熔體由中心向四周流動，形成寬而淺的熔池形態(tài)，不利于厚板根部熔合。

2.2 活性元素對表面張力的影響

當(dāng)活性元素（如氟化物、氯化物、硫化物）進(jìn)入熔池后，會在熔池表面形成吸附層，顯著降低局部表面張力。這種作用具有溫度依賴性：在低溫區(qū)（如熔池邊緣或根部），活性元素的吸附效應(yīng)更為顯著，可使表面張力降至低于高溫區(qū)的水平，從而逆轉(zhuǎn)表面張力梯度的符號（即 \partial \gamma / \partial T > 0），使Marangoni流動方向由四周指向中心（或由上部指向根部）。

2.3 多場協(xié)同調(diào)控框架

本方法的核心在于通過三種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三類物理場的協(xié)同調(diào)控：

? 宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)：構(gòu)建沿板厚方向逐漸擴(kuò)展的蒸汽泄壓通道，降低匙孔內(nèi)部蒸汽積聚引起的反沖壓力波動，實現(xiàn)壓力場調(diào)控。

? 梯度導(dǎo)流紋理：在宏觀通道內(nèi)表面加工微/亞微尺度紋理，引導(dǎo)蒸汽沿預(yù)設(shè)路徑定向流動，利用蒸汽動量效應(yīng)促進(jìn)熔融金屬向焊縫根部輸運(yùn)，實現(xiàn)蒸汽動量場調(diào)控。

? 活性元素富集區(qū)：在紋理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如交匯點(diǎn)、根部、轉(zhuǎn)折處）定點(diǎn)沉積活性元素顆粒，焊接熱循環(huán)下元素釋放并改變局部表面張力梯度，逆轉(zhuǎn)Marangoni對流方向，實現(xiàn)熔池流動場調(diào)控。

三種機(jī)制并非獨(dú)立作用，而是通過幾何約束、動量傳遞與界面化學(xué)改性的耦合，實現(xiàn)壓力場—蒸汽動量場—熔池流動場的協(xié)同優(yōu)化。

3 方法步驟

3.1 工件裝夾與坐標(biāo)基準(zhǔn)建立

將待焊接中厚板工件固定于高精度夾持與運(yùn)動平臺上，完成超快脈沖激光加工模塊、顆粒定向輸送模塊及工件之間的統(tǒng)一空間坐標(biāo)系標(biāo)定。建立加工坐標(biāo)系與設(shè)備運(yùn)動坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，為后續(xù)結(jié)構(gòu)加工與顆粒富集提供定位基礎(chǔ)。定義焊接方向為X軸，板厚方向為Y軸，板寬方向為Z軸。

3.2 界面三維建模與功能區(qū)域規(guī)劃

基于待焊接接合界面的幾何尺寸、厚度信息及焊接工藝窗口參數(shù)，構(gòu)建擬焊接界面的三維數(shù)字模型。在模型中參數(shù)化生成宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與梯度導(dǎo)流紋理的空間分布路徑。根據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣鳌⒘鲃訁R聚特征及壓力梯度突變區(qū)域，預(yù)先劃分功能調(diào)控區(qū)域，包括宏觀導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的根部匯聚區(qū)、導(dǎo)流通道擴(kuò)展區(qū)、紋理交匯節(jié)點(diǎn)及局部壓力突變區(qū)域。建立功能調(diào)控區(qū)域與加工坐標(biāo)系之間的高精度坐標(biāo)映射關(guān)系。

3.3 宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)構(gòu)筑

采用超快脈沖激光在待焊接界面進(jìn)行選擇性材料去除加工，形成沿板厚方向由上至下逐漸擴(kuò)展的宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。幾何形態(tài)可選擇倒V型、階梯型或圓弧擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)頂部特征寬度為0~30 μm，底部特征寬度為100~500 μm，結(jié)構(gòu)深度為0.1~3 mm。該結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建貫通或半貫通的蒸汽泄壓與導(dǎo)流通道，通過改變局部幾何約束條件，主導(dǎo)調(diào)控焊接過程中匙孔周圍的壓力分布與蒸汽排出路徑。

其中w_t為頂部寬度，w_b為底部寬度，H為板材厚度，n為梯度擴(kuò)展系數(shù)。

3.4 梯度導(dǎo)流紋理構(gòu)筑

在已形成的宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進(jìn)一步加工微/亞微尺度梯度導(dǎo)流紋理。紋理類型包括魚骨狀、人字形或斜向槽結(jié)構(gòu)，其傾角為20°~45°。紋理沿板厚方向形成由上至下逐漸加密的空間分布特征，即下部區(qū)域紋理密度高于上部區(qū)域。具體而言，沿板厚方向形成三級密度梯度分布：下部區(qū)域紋理面積占比為40%~80%，中部為20%~50%，上部為5%~30%。

紋理密度沿板厚方向的變化滿足：

其中ρ_t為頂部紋理密度，ρ_b為底部紋理密度，m為密度梯度系數(shù)。

該多尺度紋理體系用于誘導(dǎo)蒸汽流動方向重構(gòu)，使蒸汽沿預(yù)設(shè)通道發(fā)生定向輸運(yùn)與分級釋放，從而對焊接過程中的蒸汽動量場進(jìn)行精細(xì)化調(diào)控。

3.5 活性元素富集區(qū)構(gòu)筑

基于步驟3.2所建立的功能調(diào)控區(qū)域坐標(biāo)映射關(guān)系，控制顆粒輸送模塊按照預(yù)設(shè)軌跡，將表面活性元素顆粒定向輸運(yùn)至宏觀導(dǎo)流結(jié)構(gòu)根部、紋理交匯節(jié)點(diǎn)或局部壓力匯聚區(qū)域。活性元素顆粒選自氟化物顆粒、氯化物顆粒、硫化物顆粒及其復(fù)合顆粒，平均粒徑為50 nm~2 μm，采用載氣定向輸運(yùn)方式實現(xiàn)精準(zhǔn)沉積。

顆粒在導(dǎo)流紋理的幾何捕獲效應(yīng)、表面吸附效應(yīng)及后續(xù)焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生穩(wěn)定富集，形成沿板厚方向呈非均勻梯度分布的活性元素富集區(qū)。為實現(xiàn)功能梯度分布，下部區(qū)域選擇的沉積節(jié)點(diǎn)數(shù)量高于上部區(qū)域：上部區(qū)域選取約20%的功能節(jié)點(diǎn)，中部區(qū)域選取約50%，下部區(qū)域選取約80%。

活性元素進(jìn)入熔池后，通過降低局部表面張力梯度并改變其符號，使Marangoni對流方向由傳統(tǒng)的中心向外流動轉(zhuǎn)變?yōu)橛缮喜肯蚝缚p根部的定向流動，從而實現(xiàn)熔池流動的定向強(qiáng)化輸運(yùn)。

3.6 梯度導(dǎo)流功能界面形成

通過宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、微觀梯度導(dǎo)流紋理與活性元素富集區(qū)的多尺度協(xié)同構(gòu)建，形成一體化梯度導(dǎo)流功能界面體系。該界面使界面壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場實現(xiàn)耦合調(diào)控，從而在中厚板激光焊接過程中穩(wěn)定匙孔結(jié)構(gòu)演化路徑，有效抑制氣孔、飛濺及熔池塌陷等典型焊接缺陷。

4 裝置構(gòu)成

實現(xiàn)上述方法的裝置包括超快激光加工模塊、顆粒輸送模塊、運(yùn)動控制模塊及中央控制器。其中：

? 超快激光加工模塊：包含超快激光頭（1）與超快激光器（2），用于宏觀導(dǎo)流結(jié)構(gòu)與微觀導(dǎo)流紋理的加工。

? 顆粒輸送模塊：包含顆粒存儲單元（3）、載氣輸送單元（4）與定向噴射單元（5），用于活性元素顆粒的精準(zhǔn)沉積。

? 運(yùn)動控制模塊：采用運(yùn)動機(jī)器人（6）實現(xiàn)加工頭與工件的相對運(yùn)動。

? 中央控制器（7）：用于實現(xiàn)三類結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)一坐標(biāo)映射、加工路徑協(xié)同規(guī)劃以及顆粒輸運(yùn)與激光加工的同步控制，從而實現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)加工與微觀功能化構(gòu)筑的一體化執(zhí)行。

5 結(jié)論

（1）通過宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)構(gòu)建沿板厚方向逐漸擴(kuò)展的蒸汽泄壓與導(dǎo)流通道，為匙孔內(nèi)部金屬蒸汽提供優(yōu)先排出路徑，降低蒸汽積聚引起的反沖壓力波動及匙孔局部塌陷傾向，提高中厚板激光深熔焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性。

（2）通過梯度導(dǎo)流紋理構(gòu)建蒸汽定向輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)蒸汽沿預(yù)設(shè)路徑排出，并利用蒸汽流動產(chǎn)生的動量效應(yīng)促進(jìn)熔融金屬向焊縫根部輸運(yùn)，提高焊縫根部熔透能力，改善焊縫上寬下窄、下部熔合不足及成形不均勻等問題。

（3）通過在導(dǎo)流紋理內(nèi)部關(guān)鍵功能節(jié)點(diǎn)位置構(gòu)筑活性元素富集區(qū)，實現(xiàn)活性元素的定向釋放與局部作用，調(diào)控熔池表面張力梯度及Marangoni流動行為，并與宏觀梯度導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和梯度導(dǎo)流紋理協(xié)同作用，實現(xiàn)界面壓力場、蒸汽動量場和熔池流動場的協(xié)同調(diào)控，提高焊縫厚度方向組織與力學(xué)性能均勻性，降低氣孔、飛濺及未熔合等缺陷形成傾向。