該篇文章首先從定義缺陷（何為飛濺？）—再到討論飛濺發(fā)生環(huán)境（激光焊接過(guò)程熔池匙孔狀態(tài)）—再到飛濺形成機(jī)理（哪些因素導(dǎo)致飛濺發(fā)生）—再到飛濺抑制機(jī)理（如何降低這些因素對(duì)飛濺的影響）—最后進(jìn)行低飛濺方案對(duì)比（市面上常見(jiàn)的低飛濺方案對(duì)比分析）。
以下文章來(lái)源于先進(jìn)激光加工及過(guò)程監(jiān)測(cè) ，作者Willdong，已獲作者授權(quán)。
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一、飛濺缺陷定義：
焊接中的飛濺，是指在焊接過(guò)程中，從熔池中噴射出的熔融金屬液滴。這些液滴可能會(huì)落在周圍的工作表面上，導(dǎo)致表面粗糙、不均勻，也可能造成熔池質(zhì)量損失形成焊縫表面的凹坑、炸點(diǎn)等影響焊縫機(jī)械性能。
具體表現(xiàn)為熔池中熔體由于高加速度在大致垂直于焊接液面方向上的噴射。這在下圖中可以清晰看到，從焊接熔池中升起的液柱，分解成液滴，形成飛濺。
（素材來(lái)自文獻(xiàn)：spatter in laser welding）
一般以液滴小于焊縫熔寬的20%作為界限，劃分為小飛濺和大飛濺兩類：
1.小飛濺：存在于焊縫邊緣，材料表面的凝固液滴，主要影響外觀，對(duì)性能并無(wú)影響；
2.大飛濺：存在質(zhì)量損失，表現(xiàn)為焊縫表面的凹坑、炸點(diǎn)、咬邊等，會(huì)導(dǎo)致受力應(yīng)力應(yīng)變不均勻，影響焊縫性能，主要關(guān)注這類缺陷。
二、飛濺形成機(jī)理
激光焊接分為熱導(dǎo)和深熔焊兩類。在熱導(dǎo)焊中幾乎沒(méi)有飛濺發(fā)生。因?yàn)闊釋?dǎo)焊主要是熱量從材料表面向內(nèi)部傳遞實(shí)現(xiàn)，過(guò)程不涉及金屬劇烈蒸發(fā)，和劇烈的物理冶金反應(yīng)。而深熔焊是發(fā)生飛濺的主要場(chǎng)景：深熔焊涉及激光直達(dá)材料內(nèi)部，通過(guò)匙孔向材料內(nèi)部傳遞熱量，過(guò)程反應(yīng)劇烈，是發(fā)生飛濺的主要場(chǎng)景。
（素材來(lái)自文獻(xiàn)：Relationship between the keyhole laser welding and the plasma）
要研究飛濺，就需要了解一下深熔焊匙孔動(dòng)態(tài)行為，了解激光與材料相互作用過(guò)程是什么樣的，才能找到導(dǎo)致飛濺的原因，來(lái)從機(jī)理上避免飛濺。
首先，我們需要了解熔池動(dòng)能的來(lái)源。如下圖所示，有學(xué)者采用高速攝影搭配高溫透明玻璃的方式觀測(cè)激光焊接過(guò)程匙孔的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)激光基本上打在匙孔前壁上，推動(dòng)液態(tài)進(jìn)行向下流動(dòng)，繞過(guò)匙孔到達(dá)熔池尾部，匙孔內(nèi)部接受激光的位置并不固定，激光在匙孔內(nèi)部是一個(gè)菲涅吸收的狀態(tài)，實(shí)際為多次折射吸收，維持熔池液態(tài)存在。焊接過(guò)程中每次激光折射的位置隨著匙孔壁的角度有變化，導(dǎo)致匙孔是一種扭動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，激光輻照位置就融化，蒸發(fā)，受力，變形，如此蠕動(dòng)抖動(dòng)前進(jìn)。
（素材來(lái)自文獻(xiàn)：Interaction between the laser beam and keyhole wall during high power fiber laser keyhole welding）
其次，我們需要研究熔池流動(dòng)模式。上圖是使用了高溫透明玻璃，相當(dāng)于剖面圖，熔池流動(dòng)的狀態(tài)畢竟和真實(shí)情況不一樣。因此又有學(xué)者采用速凍技術(shù)，在焊接過(guò)程中對(duì)熔池采用急速冷凍，得到了匙孔內(nèi)部瞬間狀態(tài)。如下圖左所示，可以清晰看到激光打在匙孔前壁，形成一個(gè)臺(tái)階，激光作用在這個(gè)臺(tái)階凹坑中，推動(dòng)熔池向下流動(dòng)，在激光向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中去填補(bǔ)匙孔空隙。由此也就得到了真實(shí)熔池匙孔內(nèi)部流體的大概流向圖，如下圖右所示：激光燒蝕液態(tài)金屬產(chǎn)生的金屬反沖壓力推動(dòng)液態(tài)熔池從前壁繞過(guò)匙孔向熔池尾部運(yùn)動(dòng)，從后部熔池如噴泉般上涌沖擊尾部熔池表面，同時(shí)尾部熔池由于表面張力（表面張力溫度越低越大）作用，液態(tài)金屬又被表面張力拉著向熔池邊緣運(yùn)動(dòng)，不斷凝固，未來(lái)得及凝固的液態(tài)金屬又向下循環(huán)回到匙孔尾部，如此循環(huán)。
（素材來(lái)源：Interaction between the laser beam and keyhole wall during high power fiber laser keyhole welding）
此時(shí)，如下圖所示，我們可以總結(jié)出完整的激光與材料相互作用過(guò)程，即激光作用于材料表面，產(chǎn)生劇烈燒蝕作用，材料先經(jīng)過(guò)加熱熔化蒸發(fā)。在劇烈蒸發(fā)過(guò)程中，金屬蒸汽向上運(yùn)動(dòng)給到熔池向下的反沖壓力，由此得到匙孔。激光進(jìn)入匙孔，經(jīng)歷多次發(fā)射吸收，源源不斷的金屬蒸汽維持的匙孔存在；激光主要作用于匙孔前壁，蒸發(fā)主要發(fā)生在匙孔前壁。反沖壓力推動(dòng)著液態(tài)金屬?gòu)某卓浊氨诶@過(guò)匙孔向熔池尾部運(yùn)動(dòng)，繞過(guò)匙孔高速運(yùn)動(dòng)的液體向上會(huì)沖擊熔池，形成凸起波浪。然后在表面張力的驅(qū)動(dòng)下向邊緣運(yùn)動(dòng)，凝固如此一個(gè)循環(huán)。飛濺主要發(fā)生在匙孔開(kāi)口邊緣，前壁液態(tài)金屬高速繞過(guò)匙孔沖擊后壁熔池的位置。
激光匙孔深熔焊接原理圖：A：焊接方向；B：激光束；C：匙孔；D：金屬蒸汽、等離子體；E：保護(hù)氣體；F：匙孔前壁（熔化前沿）；G：熔體水平流過(guò)鎖孔路徑；H：熔池凝固界面；I：熔池向下流動(dòng)路徑。
接下來(lái)，我們需要分析熔池流場(chǎng)。下圖是對(duì)低碳鋼材料進(jìn)行激光焊接時(shí)，從頂部查看的熔池流動(dòng)模擬。圖像的上半部分顯示了流場(chǎng)，下半部分顯示了恒定的流速線。
下圖顯示了在三種不同的焊接速度下，沿左圖中粗線計(jì)算得到的熔池液體流速度，該粗線代表了匙孔連接前后焊縫的中心線，以及匙孔邊緣。從右圖中可以清楚地看到，由于沸騰的鎖孔壁對(duì)熔體施加的壓力，熔體的流動(dòng)速度明顯大于焊縫速度。例如，在焊接速度為100 mm/s，x=-150um時(shí)，計(jì)算出的最大液體流動(dòng)速度超過(guò)360 mm/s。這里可以得出如果流動(dòng)只是一個(gè)二維方向，不會(huì)發(fā)生飛濺。因?yàn)轱w濺是向上脫離熔池，二維表面不存在軸向的動(dòng)能，所以飛濺的動(dòng)能只能來(lái)自于匙孔。
下圖展示了金屬蒸汽的垂直剪切力提供了飛濺液滴垂直加速的能量來(lái)源：當(dāng)靠近上表面的垂直方向流動(dòng)分量超過(guò)一定的逃逸閾值時(shí)，飛濺液滴可以脫離焊接熔池，如下圖所示。逃逸閾值是由表面張力、表面幾何形狀、粘度和重力的局部值的組合來(lái)確定的。
其中，表面張力是最重要的考慮因素。如下圖公示，Vz是液體垂直向上的流速，與反沖壓力、金屬蒸汽剪切力有關(guān)。即金屬剪切力提供了向上的加速動(dòng)能后，一旦超過(guò)表面張力，達(dá)到逃逸閾值，就會(huì)形成飛濺。
下圖顯示了匙孔周圍熔融金屬垂直方向的力平衡，所示主要驅(qū)動(dòng)力是反沖壓力和蒸汽剪應(yīng)力，主要抗力是重力和表面張力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果以及力平衡，熔融金屬的高動(dòng)量、高反沖壓力和蒸汽剪切應(yīng)力以及鎖孔周圍的低表面張力共同促成了鎖孔周圍容易形成飛濺的原因。
（素材來(lái)源：Experimental and numerical study of spatter formation and composition change in fiber laser welding of aluminum alloy）
總結(jié)：
飛濺發(fā)生過(guò)程：飛濺物的產(chǎn)生可以簡(jiǎn)化為一個(gè)基本的現(xiàn)象序列：局部沸騰-熔體加速-流體流動(dòng)的重定向-垂直動(dòng)量的積累-液滴噴射；
受力分析：反沖壓力和蒸汽剪應(yīng)力，主要抗力是重力和表面張力;
飛濺產(chǎn)生必要條件：要產(chǎn)生飛濺，局部熔融液滴垂直于熔池表面的動(dòng)量大于表面張力；
飛濺產(chǎn)生的影響因子有：
反沖壓力主要來(lái)自金屬蒸汽，如果蒸發(fā)量驟變（低沸點(diǎn)元素、匙孔壁凸起、吸收率波動(dòng)），會(huì)導(dǎo)致反沖壓力劇烈變化，影響熔池的動(dòng)能變化，降低液滴逃逸速度；
剪切力主要取決于金屬蒸汽和等離子體和匙孔內(nèi)氣壓的變化（體積），所以能夠使得匙孔內(nèi)部穩(wěn)定、金屬蒸汽和等離子體平穩(wěn)即可抑制飛濺；
表面張力取決于溫度和熔池表面平滑程度，溫度越高，表面張力越??；表面越平滑，逃逸速度越??；
熔池動(dòng)量：動(dòng)量增加，越容易發(fā)生液滴逃逸。匙孔開(kāi)口直徑會(huì)周期性地波動(dòng)：開(kāi)口直徑的任何增加都會(huì)減小匙孔與其前方和兩側(cè)液固界面之間的距離，這種路徑的縮窄會(huì)增加水平和垂直平面的局部流動(dòng)加速度，提高熔池液滴的動(dòng)量；
接下來(lái)，逐一對(duì)影響因子進(jìn)行分析。
1、反沖壓力波動(dòng)分析—低沸點(diǎn)金屬元素、表面雜質(zhì)污染
低沸點(diǎn)金屬如果出現(xiàn)成分偏析，在材料內(nèi)部某個(gè)地方出現(xiàn)聚集。一旦激光與其接觸，就會(huì)導(dǎo)致金屬劇烈蒸發(fā)。金屬蒸汽噴射所提供的反沖壓力加速?zèng)_擊熔池匙孔邊緣液滴，同時(shí)增加匙孔內(nèi)部液體流動(dòng)的速度，金屬蒸汽突然增加的對(duì)匙孔開(kāi)口液滴的剪切力會(huì)導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生。
（素材來(lái)源：Effect of alloy element on weld pool dynamics in laser welding of aluminum alloys）
如上圖數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)激光加熱時(shí)，沸點(diǎn)溫度低于 Al 的元素會(huì)先于 Al 蒸發(fā)，從而加速匙孔的形成并增加匙孔的深度。這可以解釋為什么鎖孔深度的增長(zhǎng)率會(huì)隨著低沸點(diǎn)元素的增加而增加。
上圖則顯示了代表性鋁合金在穩(wěn)定階段的典型小孔和熔池縱向特征。小孔前的熔池面積小于小孔后的熔池面積。A1050、A6061、A2024（低沸點(diǎn)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、1.6%、2.1%）熔池中，小孔直徑上下變化不大，小孔穩(wěn)定。在A5083和A7075（低沸點(diǎn)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.1%和8.1%）的熔池中，匙孔形狀變化劇烈。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2.1%時(shí)，可以防止匙孔的劇烈波動(dòng)，此時(shí)金屬蒸汽的表面張力和反沖壓力達(dá)到平衡。低沸點(diǎn)元素蒸發(fā)給熔池提供了高動(dòng)量、給匙孔提供了高反沖壓力、給匙孔邊緣液滴提高了剪切力，導(dǎo)致飛濺產(chǎn)生。
2、反沖壓力波動(dòng)分析—舌狀凸起導(dǎo)致的爆炸蒸發(fā)
（素材來(lái)源：Bulk-Explosion-Induced Metal Spattering During Laser Processing）
匙孔前壁的不規(guī)則流動(dòng)（可能是由于外界機(jī)械抖動(dòng)、或者功率的波動(dòng)，或者激光單色性的影響）導(dǎo)致的舌狀凸起也會(huì)導(dǎo)致劇烈的瞬間爆炸性金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生極大的金屬剪切力和反沖壓力，反沖壓力會(huì)加速液態(tài)熔池的流動(dòng)，沖擊熔池后部導(dǎo)致飛濺；金屬蒸汽則會(huì)沖擊匙孔開(kāi)口邊緣液態(tài)金屬導(dǎo)致飛濺。
3、反沖壓力影響因素——材料吸收率波動(dòng)
材料在不同的溫度和狀態(tài)下對(duì)激光的吸收率不同，上圖中顯示的是材料隨著表面溫度的變化對(duì)激光吸收率的變化，固體狀態(tài)時(shí)吸收率較低，但一旦達(dá)到熔點(diǎn)，熔化吸收率就驟升到30-60%，當(dāng)出現(xiàn)匙孔時(shí)會(huì)到90%以上，以紅外激光焊接鋁合金為例，固體時(shí)熔深在5%作用，當(dāng)融化時(shí)在25%作用，當(dāng)出現(xiàn)匙孔時(shí)在90% 作用，有成倍的熱輸入波動(dòng)，因?yàn)榧す夂附舆^(guò)程匙孔是周期性的開(kāi)閉，所以會(huì)導(dǎo)致劇烈的燒蝕反沖壓力（因?yàn)殚_(kāi)閉周期中激光會(huì)周期性的債熔池和匙孔吸收波動(dòng)）。
4、等離子體導(dǎo)致功率波動(dòng)
（素材來(lái)源：Characteristics of plasma plume in fiber laser welding of aluminum alloy）
等離子體主要由金屬蒸汽和部分電離的電子混合而成，當(dāng)?shù)入x子體出現(xiàn)時(shí)大量的入射功率被等離子體吸收，導(dǎo)致有效激光功率密度降低到入射激光功率密度的76%，使得激光功率到達(dá)熔池匙孔出現(xiàn)30%左右的波動(dòng)，極大影響熔池動(dòng)能，和匙孔穩(wěn)定性。
5、光束擺動(dòng)導(dǎo)致的吸收率波動(dòng)
（素材來(lái)源：SpatterFormationinLaserWeldingwithBeamOscillation）
光束擺動(dòng)分為三種不同的飛濺形式：
a）擺動(dòng)振幅較大、頻率低。高輻射強(qiáng)度導(dǎo)致材料部分蒸發(fā)和部分熔化。蒸汽的反沖壓力加速了沿著匙孔側(cè)壁的熔融材料流動(dòng)，使其中的一部分從工件表面脫離，形成飛濺，主要發(fā)生在激光接觸未溶化材料時(shí)發(fā)生，這類飛濺較小，直徑在100um以內(nèi)；
b）擺動(dòng)后重疊率低，吸收率變化導(dǎo)致飛濺。擺動(dòng)光束從未溶化材料進(jìn)入熔池，吸收率急劇上升，導(dǎo)致金屬蒸發(fā)量增大，反沖壓力和剪切力增大，導(dǎo)致飛濺；
c）熔池動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致飛濺，在重疊率高、振幅小時(shí)常見(jiàn)。主要是在擺動(dòng)光束進(jìn)入熔池拖尾之后，熔池整體向后流動(dòng)波動(dòng)凝固，導(dǎo)致部分液滴進(jìn)入匙孔開(kāi)口上方直接受到金屬蒸汽沖擊，形成飛濺。
三、飛濺抑制方案
核心思路：找出那些會(huì)影響反沖壓力、剪切力、表面張力?？紤]能不能不要這些力作用。如不能避免，如何降低這些力的影響。
1、減少低沸點(diǎn)元素，降低反沖壓力，抑制飛濺
減少材料本身的低沸點(diǎn)合金元素，鋁合金中的鎂、鋅、錳等，以及材料表面的各種污染源：油污、水漬、塑料、鋁屑等雜質(zhì)；
鋁合金一般常見(jiàn)兩種爆點(diǎn)（飛濺），黑爆、白爆。
黑爆：黑色爆點(diǎn)一般都含碳，可以推斷主要為有機(jī)物污染，需要排查是否有塑料、鐵氟龍、膠等有機(jī)物污染，需要注意清潔；
白爆：白色爆點(diǎn)多是由于焊接過(guò)程不穩(wěn)定所致，涉及材料部分，盡量選擇低沸點(diǎn)質(zhì)量因素占比小的合金。
2、降低剪切力的影響，抑制飛濺
剪切力主要與匙孔開(kāi)口大小和金屬蒸發(fā)有關(guān)。影響剪切力波動(dòng)的因素：匙孔內(nèi)部體積變化：a、等離子體周期性影響；b、焊接速度；C、離焦量；d、吸收率波動(dòng)；e、保護(hù)氣；f、功率波動(dòng)
（素材來(lái)源：Investigation of spatter occurrence in remote laser spiral welding of zinc-coated steels）
2a、改變等離體子位置，降低剪切力的影響，抑制飛濺
在大功率激光焊接過(guò)程中，隨著高能量密度的激光束持續(xù)輸出，能量傳輸至工件表面，不斷地被熔化蒸發(fā)金屬材料，蒸汽云團(tuán)向上快速?gòu)某卓字袊娪慷?，達(dá)到電離條件后迅速電離，形成等離子體。產(chǎn)生的等離子體一般以金屬蒸汽等離子體為主。
等離子體形成之后，會(huì)通過(guò)折射和輻射吸收對(duì)入射光束產(chǎn)生反射、散射、吸收等作用，并會(huì)對(duì)激光束形成屏蔽效應(yīng)。從而影響激光能量與工件的耦合，以致于導(dǎo)致激光能量到達(dá)熔池出現(xiàn)30%左右的波動(dòng)。周期性導(dǎo)致金屬蒸汽噴射變化，使得匙孔開(kāi)口處液滴產(chǎn)生飛濺。
因此可以通過(guò)在合適的方向吹保護(hù)氣，使得等離子體偏離激光中軸線，避免對(duì)激光與材料相互作用過(guò)程產(chǎn)生影響。就不會(huì)導(dǎo)致激光功率的波動(dòng)，導(dǎo)致金屬蒸汽的周期性變大變小，影響剪切力的變化。降低飛濺發(fā)生概率。
（素材來(lái)源：Understanding of spatter formation in fiber laser welding of 5083 aluminum alloy The role of process gases in laser welding）
2b、改變焊接速度，降低剪切力的影響，抑制飛濺
（素材來(lái)源：Depth dependence and keyhole stability at threshold,for different laser welding regimes Relationship of laser absorption to keyhole behavior in high power fiber laser welding of stainless steel and aluminum alloy）
2c、改變焊接速度，降低剪切力的影響，抑制飛濺
負(fù)離焦，焦點(diǎn)在材料內(nèi)部，等于能量密度最高的位置在材料內(nèi)部，在匙孔內(nèi)部，反應(yīng)劇烈，金屬蒸發(fā)量主要來(lái)自內(nèi)部，且發(fā)生蒸發(fā)位置由于燒蝕處于波動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致金屬蒸汽對(duì)匙孔開(kāi)口液滴的剪切力，時(shí)大時(shí)小，在剪切力增大周期，容易發(fā)生飛濺缺陷，所以正離焦更能抑制飛濺。
（素材來(lái)源：Effect of focal position offset on joint integrity of AA1050 battery busbar assembly during remote laser welding）
2d、降低吸收率波動(dòng)，降低剪切力的影響，抑制飛濺
吸收率波動(dòng)主要取決于匙孔的開(kāi)閉周期。匙口并非處于常開(kāi)狀態(tài)，會(huì)周期性出現(xiàn)激光與材料固態(tài)、液態(tài)、匙孔之間交替，材料對(duì)激光的吸收率成倍波動(dòng)。固體只有不到5%，液體15%，匙孔60%以上，會(huì)間歇性出現(xiàn)金屬蒸汽噴射現(xiàn)象，導(dǎo)致剪切力陡增。從而導(dǎo)致液滴脫離熔池形成飛濺。這里主要想辦法降低這個(gè)陡增的能量梯度（紅光會(huì)20%~90%波動(dòng)，藍(lán)光40-60%波動(dòng)，綠光60-90%波動(dòng)）。第二就是盡量保持匙孔常開(kāi)（采用復(fù)合熱源，尤其是可調(diào)環(huán)模激光器）。
（素材來(lái)源：Stable conduction mode welding of conventional high-reflectivity metals with 2000 W blue laser）
2e、加保護(hù)氣，降低剪切力的影響，抑制飛濺
在最佳吹氣條件下，應(yīng)用側(cè)吹保護(hù)氣的孔隙率和飛濺發(fā)生率顯著降低。這是由于熔池的表面被側(cè)吹保護(hù)氣射流壓迫深深凹陷，這導(dǎo)致了熔池的波動(dòng)受到抑制，同時(shí)擴(kuò)大匙孔開(kāi)口，熔融的金屬?gòu)逆i孔的底部向后流到熔池表面，在向上沖擊熔池時(shí)受到壓制。
當(dāng)然，側(cè)吹保護(hù)氣錯(cuò)位同樣會(huì)導(dǎo)致了氣孔和飛濺物的增加。用熔融金屬流與熔融表面?zhèn)葰馍淞鞔禋馕恢玫年P(guān)系可以解釋這一現(xiàn)象：如果保護(hù)氣對(duì)著熔池后部則會(huì)導(dǎo)致熔池更多出現(xiàn)在匙孔正上方，直面金屬蒸汽剪切力；如果保護(hù)氣管徑過(guò)小，對(duì)準(zhǔn)匙孔可能導(dǎo)致氣孔等缺陷；如果保護(hù)氣超前，則無(wú)法起到保護(hù)作用。有多種吹保護(hù)氣的方法，第一是吹散煙塵與等離子體，第二是壓制熔池波動(dòng)，附加一個(gè)力給到波動(dòng)的熔池，行業(yè)也有其他諸如施加外部磁場(chǎng)等方式也能起到同樣的效果。
（素材來(lái)源：Prevention of welding defect by side gas flow and its monitoring method in continuous wave Nd:YAG laser welding）
2f、避免剪切力作用于液滴，抑制飛濺
剪切力如果無(wú)法避免，還有一個(gè)方式就是去避免剪切力作用于匙孔開(kāi)口邊緣液態(tài)金屬，剪切力垂直向上噴射，如果在金屬蒸汽噴射方向沒(méi)有液態(tài)金屬，也就不會(huì)導(dǎo)致飛濺。
剪切力最終需要作用在匙孔邊緣液滴上才能發(fā)揮作用，因此可以從避免剪切力直接作用于液滴方向考慮。
3、可調(diào)環(huán)模激光-光纖與光纖復(fù)合，擴(kuò)大匙孔開(kāi)口，抑制飛濺
環(huán)形光斑外環(huán)高能量密度激光能夠擴(kuò)大匙孔開(kāi)口，相當(dāng)于大匙孔套小匙孔，從而使得激光反沖壓力無(wú)法直接作用于匙孔邊緣液滴，降低飛濺。
（素材來(lái)源：Keyhole-in-keyhole formation by adding a coaxially superimposed single-mode laser beam in disk laser deep penetration welding）
（素材：https://www.youtube.com/watch?v=ANUANy-G4iQ）
可調(diào)環(huán)模激光（環(huán)形光斑）激光焊接熔池匙孔形態(tài)圖（擴(kuò)大匙孔開(kāi)口）
4、平滑溫度梯度，降低表面張力，抑制飛濺
有四種主要作用力作用于熔池流體流動(dòng)：浮力（源自液態(tài)金屬密度的空間變化）、馬蘭格尼效應(yīng)（源自表面張力梯度）、重力和剪切力（源自材料燒蝕蒸汽和等離子體）。
（素材來(lái)源：Numerical simulation of thermal flow dynamics in oscillating laser welding of aluminum alloy）
馬蘭戈尼效應(yīng)在自由表面上充當(dāng)剪切應(yīng)力，從而在熔池內(nèi)引起對(duì)流，本質(zhì)上是張力梯度。表面張力的驅(qū)動(dòng)機(jī)制一般可分為：溫度梯度、濃度梯度、pH梯度、表面活性劑誘導(dǎo)流動(dòng)等。在這些機(jī)制中，溫度梯度被認(rèn)為是激光熔化純金屬和大多數(shù)合金中流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)激光對(duì)材料表面進(jìn)行局部加熱時(shí)，最高溫度位于熔池中心并呈放射狀下降，導(dǎo)致熔池內(nèi)產(chǎn)生表面張力差，從而產(chǎn)生向外的熔體流動(dòng)，高溫液體表面張力小，低溫液體表面張力大。
（素材來(lái)源：Numerical simulation of thermal flow dynamics in oscillating laser welding of aluminum alloy）
表面張力主要來(lái)源于溫度梯度，溫度梯度越大，表面張力越大，不同溫度所導(dǎo)致的張力梯度驅(qū)動(dòng)熔體從高溫向低溫流動(dòng)。三維層面，可以看到張力在形成梯度之后，為向上運(yùn)動(dòng)的熔融態(tài)金屬液體不斷注入動(dòng)能，當(dāng)液體運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，在慣性力、剪切力金屬反沖壓力的綜合作用下，擺脫液體表面張力和重力的束縛，形成液柱或者獨(dú)立小飛濺液滴，而液柱本身就會(huì)在液體表面張力的作用下產(chǎn)生液柱破碎從而形成較大的飛濺球體。
（素材來(lái)源：Numerical simulation of thermal flow dynamics in oscillating laser welding of aluminum alloy）
所以抑制方案可以通過(guò)擺動(dòng)、復(fù)合熱源等來(lái)平滑溫度梯度，降低表面張力對(duì)熔池的影響。
5、抑制熔池動(dòng)量，抑制飛濺
（素材來(lái)源：Effect of zinc vapor forces on spattering in partial penetration laser welding of zinc-coated steels）
抑制熔池動(dòng)量，主要是抑制熔池波動(dòng)，防止熔池劇烈沸騰波動(dòng)，使得液滴回流到匙孔正上方，收到金屬蒸汽噴射時(shí)的剪切力，導(dǎo)致飛濺。
主要的抑制熔池波動(dòng)的方法有：光纖-半導(dǎo)體復(fù)合、可調(diào)環(huán)模激光、多光束復(fù)合、擺動(dòng)、大保護(hù)氣、藍(lán)紅復(fù)合等，主要也是第一保證反沖壓力不出現(xiàn)波動(dòng)，其次是確保溫度梯度平緩，使得熔池動(dòng)量缺乏能量源。
總結(jié)：
四、常見(jiàn)的低飛濺方案
分析完缺陷的發(fā)生機(jī)理及抑制方向，再簡(jiǎn)單對(duì)比一下當(dāng)前市面上比較常見(jiàn)的低飛濺方案。
1、低飛濺方案-單光纖擺動(dòng)/功率調(diào)制
紅外光纖激光是當(dāng)前應(yīng)用主流激光器，可提供不同芯徑、不同光束的激光器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種加工環(huán)境的零部件加工，這塊難點(diǎn)在單模激光器上，要提供光束質(zhì)量足夠好，瑞利長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)、發(fā)散角足夠小的激光器，典型應(yīng)用為激光飛行焊接。純光纖單光束主要的問(wèn)題在于能量密度高，與材料相互作用過(guò)于劇烈，導(dǎo)致缺陷控制難度較大。但是單光纖激光焊接過(guò)程由于匙孔的波動(dòng)導(dǎo)致熔深是一個(gè)波浪式前進(jìn)的過(guò)程，當(dāng)激光芯徑越小時(shí)，熔深越不可控，會(huì)出現(xiàn)針刺型焊縫特征。
（素材來(lái)源：陳琳. 鋁合金薄板激光擺動(dòng)搭接焊縫成形機(jī)理及其熔池行為研究[D].華中科技大學(xué)）
整體看來(lái)，擺動(dòng)焊接實(shí)現(xiàn)了激光能量的空間調(diào)制分配，使得熔池整個(gè)面積擴(kuò)大能量分布均勻，溫度梯度降低，表面張力趨同，熔池波動(dòng)缺乏驅(qū)動(dòng)力，趨于平緩，由此降低了液體出現(xiàn)在匙孔正上方的風(fēng)險(xiǎn)，也降低了飛濺的發(fā)生概率。
不擺與擺動(dòng)熔池體積與熔深對(duì)比圖
正弦和“弓”、“Z”型填充都涉及激光高速轉(zhuǎn)向，急?；剞D(zhuǎn)，速度矢量變化大，且熔池范圍在橫向拓展，呈橢圓形，長(zhǎng)邊與焊接方向垂直，由于激光的擺動(dòng)使得熔池后方的拖尾消失，熔池整體趨于穩(wěn)定，但是熔池邊緣形狀隨時(shí)間變化仍有較大波動(dòng)，邊緣表面粗糙度會(huì)較大，且部分伴隨咬邊缺陷，使得熔池穩(wěn)定性降低，但優(yōu)于不擺動(dòng)激光焊接。
擺動(dòng)焊接的不足之處在于對(duì)于疊焊和密封焊等場(chǎng)合，對(duì)于熔深的精確控制是一個(gè)難點(diǎn)。
2、低飛濺方案-全域調(diào)制
（素材來(lái)源：[1] Shengyong Pang,Sinusoidal oscillating laser welding of 7075 aluminum alloy: Hydrodynamics, porosity formation and optimization；[2] Minimizing defects and controlling the morphology of laser welded aluminum alloys using power modulation-based laser beam oscillation）
全域調(diào)制相當(dāng)于擺動(dòng)+功率調(diào)制的復(fù)合，進(jìn)一步優(yōu)化了熔池表面的功率分配，使得熔深也更加穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)不可控的現(xiàn)象。
3、低飛濺方案-藍(lán)光激光焊接
藍(lán)光本質(zhì)上是熱導(dǎo)焊的優(yōu)勢(shì)：適合精密薄板、箔材連接，尤其是有色金屬；
藍(lán)光熱輸入大，不適合低速焊接，2-3m/min，以上，50Mm/s以上最佳，太慢熱輸入太大，容易變形，主要以熱導(dǎo)焊為主，甚至速度會(huì)到10m/min，150mm/s以上；
熔深方面，當(dāng)前用的較多的1800W，1500W功率，600um芯徑，50mm/s，熔深0.5mm左右。3KW功率熔深在2mm左右。4KW功率熔深在3mm左右，對(duì)應(yīng)的熔寬也很大；
復(fù)合焊發(fā)散角太大用同一個(gè)聚焦鏡焦平面很難在一個(gè)平面上，藍(lán)光+振鏡，只能做小視場(chǎng)，50×50mm。
（素材來(lái)源：laserline）
藍(lán)光的優(yōu)勢(shì)在于薄材的連接、尤其是異種薄材可控熔深的連接，藍(lán)光屬于半導(dǎo)體激光束，多以平頂光束為主，所以藍(lán)光與紅光主要區(qū)別在于吸收率和光束能量分布；
能量高斯分布的光纖激光主打穿透性，容易有氣孔飛濺，熔深較難控制，且是沖擊性加工，容易損害工件，過(guò)渡燒蝕，箔材還會(huì)出現(xiàn)斷層（撕裂）；因此需要用平頂光束做未加工，但是紅光平頂光束吸收率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連接，藍(lán)光正好合適。
藍(lán)光平頂光束深寬比＜1，熔深可控，薄材連接，有效連接面積大。
本質(zhì)上是平頂光束與平頂光束的對(duì)比和高吸收率和低吸收率的對(duì)比。
4、低飛濺方案-綠光激光焊接
綠光的優(yōu)勢(shì)是高吸收率高亮度：1、快速實(shí)現(xiàn)高反材料熱導(dǎo)到深熔過(guò)渡，避免起始段虛焊；2、幾乎不受高反材料表面氧化層、鍍層、粗糙度等表面處理手段影響。
綠光解決了吸收率，沒(méi)解決飛濺：綠光激光本質(zhì)上和紅光同屬于高斯能量分布的光束，所以核心區(qū)別在于吸收率，紅光因?yàn)樵诓牧系墓?、液、匙孔狀態(tài)下吸收率波動(dòng)巨大，導(dǎo)致熱輸入成十幾倍周期性變化，所以導(dǎo)致熔池匙孔受力波動(dòng)劇烈，缺陷難以避免。綠光相對(duì)紅光的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有從固液過(guò)渡的劇烈吸收率上的波動(dòng)，但是依然是深熔焊，無(wú)法避免飛濺，甚至更劇烈，只是熱輸入更大，相當(dāng)于可以實(shí)現(xiàn)更高速度的焊接，或者低功率低速的焊接，吸收率上來(lái)了，比如吸收率提高三倍，一千瓦當(dāng)三千瓦用。
綠光在銅上優(yōu)勢(shì)更獨(dú)特，相比藍(lán)光可以實(shí)現(xiàn)更小熱影響區(qū)的大熔深加工。
此外，目前市面上還有幾種復(fù)合熱源用于實(shí)現(xiàn)低飛濺焊接，針對(duì)這幾種復(fù)合熱源核心就三個(gè)方面：壓力梯度、溫度梯度、激光強(qiáng)度梯度（能量分布）這三塊對(duì)比分析，本質(zhì)上就是熱傳遞的過(guò)程，主要關(guān)系熔池匙孔上方這三個(gè)指標(biāo)，來(lái)看看各自的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)。
5、低飛濺方案-紅藍(lán)復(fù)合
（素材來(lái)源：laserline）
紅藍(lán)復(fù)合激光焊接，通過(guò)外光路焊接頭把光纖激光與藍(lán)光進(jìn)行耦合，可有多種熱源搭配模型，這種方式同時(shí)結(jié)合了銅合金對(duì)藍(lán)光的高吸收率，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加熱熔化，再結(jié)合光纖激光的高能量密度與高穿透能力，以及熔化狀態(tài)的銅合金對(duì)光纖激光的更高的吸收率，實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)焊與深熔焊的結(jié)合，達(dá)到穩(wěn)定焊接過(guò)程，降低飛濺，改善焊縫外觀的目的；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)3mm以內(nèi)的銅合金穩(wěn)定加工（主要加工能力取決于紅光的穿透性，即功率大小）；可以實(shí)現(xiàn)多種熱源多種形式的搭配，一般采用1KW左右的藍(lán)光，焦點(diǎn)可前后左右高低任意搭配。
a、模擬仿真表明，藍(lán)光激光功率占比的增加能顯著減緩光纖激光熱輸入導(dǎo)致的溫度梯度，擴(kuò)大熔池表面積、增大熔池體積，較大的流場(chǎng)矢量速度進(jìn)一步增加了焊縫的傳質(zhì)傳熱，同時(shí)抑制熔池表面波動(dòng)；
b、激光能量梯度與壓力梯度與溫度梯度類似，只是光纖激光作用的區(qū)域有較大的壓力和高能量密度的激光吸收，有所下凹，形成匙孔。
（素材來(lái)源：霍耳激光）
（素材來(lái)源：霍耳激光）
6、低飛濺方案-光纖半導(dǎo)體復(fù)合
激光半導(dǎo)體復(fù)合核心也是熱導(dǎo)與深熔復(fù)合，常見(jiàn)的是20/400um復(fù)合，單模激光器和半導(dǎo)體激光器復(fù)合，半導(dǎo)體大光斑可以加熱熔化材料表面，提高材料對(duì)激光的吸收率。
7、低飛濺方案-可調(diào)環(huán)模激光器
可調(diào)環(huán)模激光由兩束光纖激光復(fù)合而成，外環(huán)激光負(fù)責(zé)加熱母材，擴(kuò)大匙孔開(kāi)口，內(nèi)環(huán)激光高功率密度用來(lái)穿透金屬，實(shí)現(xiàn)深熔焊接；
可調(diào)環(huán)模激光能夠有效降低銅合金焊接過(guò)程飛濺，同時(shí)提供多種芯徑和功率組合搭配，當(dāng)前單模環(huán)以及50-150芯徑組合能夠?qū)崿F(xiàn)5mm以內(nèi)銅合金穩(wěn)定高效加工；
（素材來(lái)源：IPG trumpf）
可調(diào)環(huán)模激光，即是目前市面上常見(jiàn)的諸如IPG-AMB、通快BLW，ABP等都是這一類，可調(diào)環(huán)模激光的典型特征就是壓力場(chǎng)的分布，外環(huán)激光也是同樣高功率密度的光纖激光，可以給到匙孔開(kāi)口周圍足夠的功率密度能量，造成匙孔周圍熔池的燒蝕，反沖壓力造成熔池下凹，形成獨(dú)特的復(fù)合壓力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大匙孔開(kāi)口，以及抑制熔池波動(dòng)與金屬蒸汽的剪切力接觸，同時(shí)擴(kuò)大熔池面積，減緩溫度梯度，抑制熔池波動(dòng)，極大程度上降低飛濺，是當(dāng)前最理想，低成本的方案，可以大規(guī)模推廣應(yīng)用，潛力無(wú)限。