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激光粉末床熔融增材制造过程及高能密度激光焊接中孔隙形成机制的直接观测
摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种能够制造传统工艺无法实现的复杂几何形状部件的3D打印技术。然而，打印过程中形成的气孔会损害部件的力学性能，严重阻碍其广泛应用。本研究报道了LPBF过程中观察到的六种气孔形成机制。我们的结果再次证实了三种已知机制——匙孔诱导气孔、原料粉末导致的气孔以及激光熔化时因挥发性物质汽化或微小封闭气体膨胀沿熔合边界形成的气孔。同时发现三种新机制：(1) 表面波动捕获的气孔；(2) 浅凹坑区波动导致的气孔；(3) 裂纹引发的气孔。这些发现为LPBF过程中的气孔形成机制提供了直接证据和深入见解，可指导气孔消除/缓解方法的开发。由于本研究涉及的某些激光加工条件与高能密度激光焊接情况相似，该结果对激光焊接也具有参考价值。
关键词： 孔隙形成、激光粉末床熔融、X射线成像、激光焊接、增材制造
更新于2025-09-23 15:21:01
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[美国激光学会ICALEO? 2016：第35届激光与电光应用国际会议 - 美国加利福尼亚州圣地亚哥（2016年10月16-20日）] 激光与电光应用国际会议 - 采用X射线相位对比法观测铝合金激光焊接中匙孔与熔池动力学
摘要： 铝合金是一种轻质材料，常用于汽车零部件、电池、飞机等以减少温室气体排放。由于铝合金具有高导热性和对1微米波长激光的高反射率，导致其焊接性较差，长期以来人们一直在寻求高效稳定的铝合金激光焊接方法。由于焊接现象和缺陷形成机制复杂且尚未被充分理解，本研究旨在探究铝合金的激光焊接现象。为了解焊接过程中的熔池和匙孔动态，采用高速摄像机和X射线相位对比法对熔池进行了观察。与X射线吸收对比法相比，该方法能更清晰地观察到A1050铝合金激光焊接时的匙孔行为和固液界面。在较低焊接速度（0.5米/分钟）下，可观察到频繁剧烈的匙孔扩张和高气孔率；而在较高焊接速度（1米/分钟）下虽也存在高气孔率，但匙孔扩张现象几乎不可见。研究认为低速焊接时，匙孔底部的剧烈蒸发因高热输入导致匙孔行为不稳定，进而因空气吸入匙孔而形成高气孔率。评估了使用风扇的效果：无风扇时频繁出现剧烈匙孔扩张，推测是激光部分与羽流相互作用导致激光散射引发突然蒸发。观察到匙孔底部的气泡高速移动并被困在固液界面，随后通过吸收熔池中的小气泡而膨胀。所有焊接条件下均观察到匙孔底部频繁的小幅扩张，因此推测气孔形成机制与匙孔底部扩张密切相关——主要气孔在此处形成。
关键词： X射线相位对比法、孔隙形成、铝合金、激光焊接、熔池动力学、小孔动力学
更新于2025-09-19 17:13:59