摘要

針對中厚板激光深熔焊接過程中匙孔不穩定、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，提出一種基於宏觀梯度導流結構、梯度導流紋理與活性元素富集區協同構築的可控導流界麵方法。該方法通過超快脈衝激光在待焊接界麵加工沿板厚方向漸擴的宏觀導流通道，並在其內表麵製備微/亞微尺度梯度紋理，最後在關鍵節點定向沉積活性元素顆粒。焊接過程中，宏觀結構實現蒸汽泄壓與壓力場調控，微觀紋理引導蒸汽動量場定向輸運，活性元素通過改變局部表麵張力梯度逆轉Marangoni對流方向，促使熔池金屬向焊縫根部定向輸運。三種機製協同作用，實現壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場的耦合調控，有效抑製氣孔、飛濺及未熔合缺陷，提升焊縫厚度方向組織與力學性能均勻性。

1 引言

中厚板結構件在船舶製造、軌道交通、航空航天及能源裝備等領域廣泛應用。激光深熔焊因其能量密度高、熱輸入低、焊接效率高等優點，已成為中厚板高效連接的重要技術手段。然而，隨板材厚度增加，激光生成的匙孔深寬比增大，內部金屬蒸汽排出不暢，引發蒸汽反衝壓力大幅波動、匙孔局部坍塌及熔池流動失穩，導致氣孔、飛濺、未熔合等缺陷。同時，焊縫沿厚度方向熱循環差異明顯，熔池流動分布不均，焊縫截麵呈現上寬下窄形態，進一步造成微觀組織與力學性能沿板厚分布不均，削弱接頭整體力學性能。

現有研究多集中於優化焊接工藝參數（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），但對焊接界麵本身的主動設計與調控關注不足。本文提出一種在待焊接界麵預先構築梯度導流功能界麵的方法，通過宏觀導流結構、微觀導流紋理與活性元素富集區的多尺度協同構建，實現對匙孔壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場的耦合調控，其中表麵張力梯度的定向調控是實現熔池流動場優化的核心機製。

2 技術原理

2.1 表麵張力與Marangoni對流的基本關係

熔池表麵Marangoni應力由表麵張力梯度驅動，表達式為：

其中τ_M為Marangoni應力，γ為熔池表麵張力，T為溫度。對於多數金屬材料，表麵張力隨溫度升高而降低（∂γ/∂T < 0），因此在常規焊接條件下，熔池中心高溫區表麵張力低於邊緣低溫區，熔體由中心向四周流動，形成寬而淺的熔池形態，不利於厚板根部熔合。

2.2 活性元素對表麵張力的影響

當活性元素（如氟化物、氯化物、硫化物）進入熔池後，會在熔池表麵形成吸附層，顯著降低局部表麵張力。這種作用具有溫度依賴性：在低溫區（如熔池邊緣或根部），活性元素的吸附效應更為顯著，可使表麵張力降至低於高溫區的水平，從而逆轉表麵張力梯度的符號（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 多場協同調控框架

本方法的核心在於通過三種結構實現三類物理場的協同調控：

• 宏觀梯度導流結構：構建沿板厚方向逐漸擴展的蒸汽泄壓通道，降低匙孔內部蒸汽積聚引起的反衝壓力波動，實現壓力場調控。

• 梯度導流紋理：在宏觀通道內表麵加工微/亞微尺度紋理，引導蒸汽沿預設路徑定向流動，利用蒸汽動量效應促進熔融金屬向焊縫根部輸運，實現蒸汽動量場調控。

• 活性元素富集區：在紋理關鍵節點（如交匯點、根部、轉折處）定點沉積活性元素顆粒，焊接熱循環下元素釋放並改變局部表麵張力梯度，逆轉Marangoni對流方向，實現熔池流動場調控。

三種機製並非獨立作用，而是通過幾何約束、動量傳遞與界麵化學改性的耦合，實現壓力場—蒸汽動量場—熔池流動場的協同優化。

3 方法步驟

3.1 工件裝夾與坐標基準建立

將待焊接中厚板工件固定於高精度夾持與運動平台上，完成超快脈衝激光加工模塊、顆粒定向輸送模塊及工件之間的統一空間坐標係標定。建立加工坐標係與設備運動坐標係之間的映射關係，為後續結構加工與顆粒富集提供定位基礎。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 界麵三維建模與功能區域規劃

基於待焊接接合界麵的幾何尺寸、厚度信息及焊接工藝窗口參數，構建擬焊接界麵的三維數字模型。在模型中參數化生成宏觀梯度導流結構與梯度導流紋理的空間分布路徑。根據結構拓撲特征、流動匯聚特征及壓力梯度突變區域，預先劃分功能調控區域，包括宏觀導流結構的根部匯聚區、導流通道擴展區、紋理交匯節點及局部壓力突變區域。建立功能調控區域與加工坐標係之間的高精度坐標映射關係。

3.3 宏觀梯度導流結構構築

采用超快脈衝激光在待焊接界麵進行選擇性材料去除加工，形成沿板厚方向由上至下逐漸擴展的宏觀梯度導流結構。幾何形態可選擇倒V型、階梯型或圓弧擴展型結構。結構頂部特征寬度為0~30 μm，底部特征寬度為100~500 μm，結構深度為0.1~3 mm。該結構用於構建貫通或半貫通的蒸汽泄壓與導流通道，通過改變局部幾何約束條件，主導調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為梯度擴展係數。

3.4 梯度導流紋理構築

在已形成的宏觀梯度導流結構內表麵進一步加工微/亞微尺度梯度導流紋理。紋理類型包括魚骨狀、人字形或斜向槽結構，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，即下部區域紋理密度高於上部區域。具體而言，沿板厚方向形成三級密度梯度分布：下部區域紋理麵積占比為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為密度梯度係數。

該多尺度紋理體係用於誘導蒸汽流動方向重構，使蒸汽沿預設通道發生定向輸運與分級釋放，從而對焊接過程中的蒸汽動量場進行精細化調控。

3.5 活性元素富集區構築

基於步驟3.2所建立的功能調控區域坐標映射關係，控製顆粒輸送模塊按照預設軌跡，將表麵活性元素顆粒定向輸運至宏觀導流結構根部、紋理交匯節點或局部壓力匯聚區域。活性元素顆粒選自氟化物顆粒、氯化物顆粒、硫化物顆粒及其複合顆粒，平均粒徑為50 nm~2 μm，采用載氣定向輸運方式實現精準沉積。

顆粒在導流紋理的幾何捕獲效應、表麵吸附效應及後續焊接熱循環作用下發生穩定富集，形成沿板厚方向呈非均勻梯度分布的活性元素富集區。為實現功能梯度分布，下部區域選擇的沉積節點數量高於上部區域：上部區域選取約20%的功能節點，中部區域選取約50%，下部區域選取約80%。

活性元素進入熔池後，通過降低局部表麵張力梯度並改變其符號，使Marangoni對流方向由傳統的中心向外流動轉變為由上部向焊縫根部的定向流動，從而實現熔池流動的定向強化輸運。

3.6 梯度導流功能界麵形成

通過宏觀梯度導流結構、微觀梯度導流紋理與活性元素富集區的多尺度協同構建，形成一體化梯度導流功能界麵體係。該界麵使界麵壓力場、蒸汽動量場與熔池流動場實現耦合調控，從而在中厚板激光焊接過程中穩定匙孔結構演化路徑，有效抑製氣孔、飛濺及熔池塌陷等典型焊接缺陷。

4 裝置構成

實現上述方法的裝置包括超快激光加工模塊、顆粒輸送模塊、運動控製模塊及中央控製器。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），用於宏觀導流結構與微觀導流紋理的加工。

• 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），用於活性元素顆粒的精準沉積。

• 運動控製模塊：采用運動機器人（6）實現加工頭與工件的相對運動。

• 中央控製器（7）：用於實現三類結構參數的統一坐標映射、加工路徑協同規劃以及顆粒輸運與激光加工的同步控製，從而實現宏觀結構加工與微觀功能化構築的一體化執行。

5 結論

（1）通過宏觀梯度導流結構構建沿板厚方向逐漸擴展的蒸汽泄壓與導流通道，為匙孔內部金屬蒸汽提供優先排出路徑，降低蒸汽積聚引起的反衝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定性。

（2）通過梯度導流紋理構建蒸汽定向輸運網絡，引導蒸汽沿預設路徑排出，並利用蒸汽流動產生的動量效應促進熔融金屬向焊縫根部輸運，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）通過在導流紋理內部關鍵功能節點位置構築活性元素富集區，實現活性元素的定向釋放與局部作用，調控熔池表麵張力梯度及Marangoni流動行為，並與宏觀梯度導流結構和梯度導流紋理協同作用，實現界麵壓力場、蒸汽動量場和熔池流動場的協同調控，提高焊縫厚度方向組織與力學性能均勻性，降低氣孔、飛濺及未熔合等缺陷形成傾向。