Effect of Laser Beam Oscillation on Weld Bead Formation and Spatter Rate in Partial Penetration Welding of TC4 Titanium Alloy
本研究调查了激光束振荡模式及参数对 16 mm 厚 TC4 钛合金部分熔透焊接过程中焊缝形貌和飞溅率的影响，确定了振幅为 0.8 mm、频率为 300 Hz 的无穷大（Infinity）振荡模式是实现高品质且低飞溅焊接的最优配置。
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在重工业和航空航天领域，钛是一种因其惊人的强度和轻量化特性而备受青睐的材料，但在将部件连接在一起时，它却提出了一个棘手的挑战。当工程师尝试焊接厚钛板时，激光束的高温会导致熔融金属表现得难以预测。液态金属并不会平滑地流动以填满缝隙，而是经常向外飞溅，造成表面杂乱无章，并留下被称为“孔隙”的微小孔洞，从而削弱最终结构的强度。对于厚板件而言，这尤其成问题，因为目标是在不烧穿底部的同时实现金属的深层熔合。为了解决这一问题，研究人员开始尝试一种技术，即让激光束按照特定的路径运动，而不是固定在一个点上，希望以此驯服混乱的熔池流动，并创造出更洁净、更牢固的结合。
来自大连理工大学的一个研究小组及其当地制造合作伙伴决定针对 TC4 钛合金（一种用于关键领域的常见等级）的厚板测试这一想法。他们使用的板材厚度为 16 毫米，这是一个需要大量能量进行焊接的显著厚度。他们的目标是观察通过改变激光束的运动形状是否可以提高焊接质量，并减少焊缝处喷溅出的金属量。他们将标准方法（即激光保持静止）与五种不同的运动模式进行了对比：顺时针圆圈、逆时针圆圈、直线往复运动、“8”字形以及类似于数学符号“无穷大”的形状。他们在严格的条件下进行这些测试，使用高功率激光器并保持恒定速度，以确保任何结果的差异完全是由运动方式引起的。
研究人员发现，激光如何运动对结果有着深远的影响。当激光束保持静止时，生成的焊缝较为粗糙且产生的飞溅较多。然而，当激光束处于运动状态时，焊接质量显著提高。在测试的各种形状中，“无穷大”图案被证明是最有效的。这种特定的路径在焊缝中心创造了一个独特的重叠区域，即激光在每个周期内都会两次经过同一个位置。这种双重路径起到了稳定力的作用，使激光形成的深孔（即“匙孔”）保持稳定，防止了通常会导致金属飞出的剧烈波动。相比之下，像直线这样的其他模式会导致激光在转折点停留时间过长，从而产生热点，导致缺陷并增加飞溅。
除了运动形状之外，摆动速度和摆幅也是至效的关键因素。团队发现，如果激光束运动过慢（低于每秒 200 次摆动），或者摆幅过宽（超过 0.8 毫米），其优势就会消失。在这些情况下，熔融金属会再次变得不稳定，表面也会覆盖上较大的喷射金属液滴。对于这种特定的 16 毫米厚钛板，研究人员发现其“甜点区”（最佳参数）为每秒 300 次摆动，且摆幅为 0.8 毫米。在这些设置下，研究人员观察到了最光滑的焊缝表面和最少的飞溅颗粒。在这些最优条件下生产的焊缝不仅更洁净，而且形状更加均匀，减少了经常困扰厚板焊接的不均匀凹陷和凸起现象。
这项研究为改进厚钛部件的连接方式提供了一份清晰的路线图。通过选择“无穷大”形状的运动并调整激光摆动的速度和宽度，制造商可以实现高质量的焊接，并最大限度地减少浪费和缺陷。这种方法不需要新设备，只需要一种更聪明地使用现有激光器的方式。研究结果表明，对于中等厚度的钛板，完美焊接的关键在于激光“舞蹈”的节奏和范围，这能确保能量分布得足够均匀，既能彻底熔化金属，又不会因过于剧烈地扰动而使其飞散。这种程度的控制对于依赖钛材料结构完整性的行业至关重要，为制造更坚固、更可靠的部件提供了一种切实可行的方法。
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