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3D科學(xué)谷洞察

藍(lán)激光在鋁合金加工中的吸收率顯著高于紅外激光，尤其是在熱導(dǎo)模式下。這意味著使用藍(lán)激光可以更高效地將激光能量轉(zhuǎn)化為加工所需的熱能，從而提高加工效率。藍(lán)激光在減少氣孔和裂紋等加工缺陷方面表現(xiàn)出色。這對于航空航天和汽車制造等對材料質(zhì)量和可靠性要求極高的行業(yè)尤為重要。減少缺陷不僅提高了產(chǎn)品的性能和壽命，還降低了生產(chǎn)成本，因為減少了因缺陷導(dǎo)致的廢品率。”

鋁合金因其輕質(zhì)高強(qiáng)，在航空航天與汽車制造中被廣泛應(yīng)用。然而，由于鋁合金在紅外波段下反射率高，易導(dǎo)致孔洞、裂紋等加工缺陷。如何提升其對激光的吸收效率，成為激光制造技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵難題。

降低激光能量源的波長是解決紅外范圍內(nèi)金屬吸收率低問題的一條途徑。相比紅外激光，藍(lán)激光在金屬材料，尤其是高反材料中表現(xiàn)出更高的吸收率，因此受到廣泛關(guān)注。據(jù)報道，藍(lán)激光鋁合金沉積中的等軸晶粒比例比紅外激光高，有利于獲得更高的機(jī)械性能。然而，很少有文獻(xiàn)報道藍(lán)激光和紅外激光之間的吸收率差異。

近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特種材料研究所團(tuán)隊聯(lián)合加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授團(tuán)隊在《Journal of Materials Processing Technology》期刊上發(fā)表題為《Quantifying the absorptivity in laser additive manufacturing and welding of aluminum alloy in the conduction mode》的最新研究成果，首次實現(xiàn)了藍(lán)光與紅外激光在鋁合金熱導(dǎo)模式下吸收率的測量，系統(tǒng)揭示吸收率隨工藝參數(shù)變化的物理機(jī)制，并證實藍(lán)激光相比于傳統(tǒng)紅外激光在提高吸收率與降低加工缺陷方面的顯著優(yōu)勢。第一作者為上海交通大學(xué)博士生魏強(qiáng)龍，王洪澤副教授和唐梓玨助理研究員為共同通訊作者，共同作者包括王浩偉講席教授、吳一副研究員、王茂松博士、博士生任芃源等。論文地址：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118912.

團(tuán)隊通過開發(fā)的表面熱對流校正(surface thermal convection correction (STCC))模型利用量熱法實現(xiàn)對激光加工過程中的吸收率的測量。熱對流修正項可以修正激光加工過程中基片的散熱，對加工過程金屬獲得的能量進(jìn)行更精準(zhǔn)描述。修正項采用前后的吸收率計算相對誤差最高會超過60%。STCC模型的吸收率計算公式如下：

其中η表示激光吸收率，c(T)表示與溫度相關(guān)的基板材料比熱容、m(t)表示與時間相關(guān)的基板質(zhì)量、T表示溫度、S表示基底表面積、h表示對流換熱系數(shù)、Tf表示環(huán)境溫度、t表示時間、P表示激光功率、tstart表示加工開始時刻、tend表示加工結(jié)束時刻。金屬基板通過絕熱云母片與加工臺進(jìn)行熱隔絕以降低熱導(dǎo)產(chǎn)生的熱耗散。溫度通過熱電偶進(jìn)行測量，并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)計算加工過程中的吸收率。使用同軸相機(jī)對熔池表面動態(tài)特征進(jìn)行采集。

圖 1 吸收率測量實驗示意圖：（a）實驗示意圖；（b）基板俯視圖及熱電偶的溫度采集的節(jié)點(diǎn)分布。

實驗分別對紅外激光和藍(lán)激光加工條件下的焊接（無粉末輸送）和打?。ㄓ蟹勰┹斔停l件工況不同功率下的吸收率進(jìn)行測量。在適合加工的功率范圍（單道激光掃描有穩(wěn)定熔池出現(xiàn)的功率范圍）內(nèi)，藍(lán)色激光的主吸收率明顯高于紅外線激光。這證明了藍(lán)激光在鋁合金加工中的吸收率優(yōu)勢。開啟送粉后，兩種激光的吸收率都有所提高。在適合加工的功率范圍內(nèi)，藍(lán)激光的吸收率增加了2.4%-3.2%，而紅外激光器吸收率增加了17.8 %-32.6 %。這證明了藍(lán)激光對粉末導(dǎo)致的吸收率變化不敏感，有利于在激光增材制造中獲得更寬的參數(shù)窗口。

圖2 (a)不同功率下吸收率對比。圖例中的“B”表示藍(lán)激光無送粉激光加工；“R”表示紅外激光無送粉激光加工；“BP”表示藍(lán)激光送粉激光加工；“RP”表示紅外激光送粉激光加工。誤差棒表示95%置信區(qū)間內(nèi)的吸收率誤差；（b-e）橫截面的單道金相結(jié)果。

文章作者將吸收率隨功率變化分為兩個階段。第1階段是指在低功率時，吸收率隨功率的增加而增加；第2階段是指吸收率隨功率的減小而減小。根據(jù)多道激光掃描金相結(jié)果可以得出結(jié)論，在第1階段基板由于激光功率的增加開始熔化形成熔池，導(dǎo)致吸收率的增加。而第2階段的吸收率變化規(guī)律在以往的工作中鮮有報道。根據(jù)同軸相機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果，作者將這一現(xiàn)象歸結(jié)為以下過程：隨著功率的增加，熔池中的馬蘭戈尼流逐漸將漂浮在熔池上的氧化物排開，越來越多的液態(tài)金屬直接暴露在激光照射下。由于液態(tài)金屬的吸收率低于氧化物的吸收率，因此在激光照射范圍內(nèi)直接暴露在激光照射下的氧化物投影面積逐漸減少，吸收率也隨之降低。

圖3：不同功率值的激光照射下氧化物和液態(tài)金屬面積的變化。每幅圖由三個子圖組成：左圖為原始同軸相機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，中圖為左圖進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)，右圖為說明氧化物和液態(tài)金屬面積的示意圖。右圖黃色曲線表示熔池范圍。藍(lán)色曲線表示提取的熔池可見氧化物區(qū)域，綠色曲線表示液態(tài)金屬區(qū)域，綠色曲線和黃色曲線之間的灰色環(huán)表示氧化物區(qū)域

圖4 4種加工條件下Alm_l和Aox_l的面積對比。Alm_l表示激光照射范圍內(nèi)液態(tài)金屬的面積，Aox_l表示激光照射范圍內(nèi)氧化物的面積。圖例中的“B”表示藍(lán)激光無送粉激光加工；“R”表示紅外激光無送粉激光加工；“BP”表示藍(lán)激光送粉激光加工；“RP”表示紅外激光送粉激光加工。

對于送粉后吸收率的增加，文章作者將其歸因為粉末引入的額外的氧化物導(dǎo)致吸收率升高。送粉前后激光照射范圍內(nèi)氧化物的面積(Aox_l)變化對該結(jié)論提供了支撐。由于氧化物的漫反射特性，文章作者選擇了一些具有相同曝光參數(shù)的實驗來比較Aox_l的灰度值，較高的灰度值表示熔池周圍具有更多的氧化物。圖5顯示了平均灰度值的比較。由于紅外激光條件下反射強(qiáng)烈，曝光時間會隨著功率和粉末參數(shù)的變化而改變。在藍(lán)激光實驗中，由于能量分布均勻，曝光時間一直設(shè)定為20 ms。在圖5(a)中，送粉后900W和1500W的平均灰度值分別增加了79.2 %和98.9 %，在圖5(b)中，平均灰度值增加比例從105 %（600W）到545 %（1800 W）不等，這說明無論藍(lán)激光還是紅外激光，送粉后粉末會引入更多的氧化物。

圖 5：激光照射范圍內(nèi)氧化物的面積(Aox_l)平均灰度值的對比。

藍(lán)激光加工的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在吸收率上，還體現(xiàn)在加工質(zhì)量的提高。氣孔和裂紋是鋁增材制造和焊接中常見的缺陷。對于含有鎂和鋅等易蒸發(fā)元素的鋁合金，熔池中很容易產(chǎn)生氣孔。隨著熱導(dǎo)熔池功率的增加，熔池對流的增強(qiáng)有利于氣孔擴(kuò)散到大氣中。熱裂紋是凝固熔池中的另一種缺陷。文獻(xiàn)報道表明，高功率密度會導(dǎo)致更多的熱裂紋。

在這項工作中，文章作者研究了不同單道加工參數(shù)下氣孔和總?cè)毕荩ò饪缀土鸭y）的體積比?？紫堵是€隨著功率的增加呈下降趨勢，這符合蒸發(fā)引起氣孔變化的規(guī)律。此外，還注意到送粉后孔隙率降低。三維CT的結(jié)果顯示，氣孔主要集中在熔池邊界。一般認(rèn)為，粉末對熔池的沖擊促進(jìn)了熔池的對流，滯留在高粘度粘稠區(qū)的孔隙更容易上浮到空氣中。但是，如果考慮到高功率條件下的裂紋體積，可以發(fā)現(xiàn)在使用紅外激光送粉后，在功率為900W、1500W和1800W時，缺陷體積都會增大。相比之下，使用藍(lán)色激光送粉后，總?cè)毕蒹w積仍然減小，這與孔隙率規(guī)律相同。由此可以得出結(jié)論，在增材制造等送粉加工過程中，熱裂紋對紅外激光的影響比對藍(lán)激光的影響更大。

圖 6不同單道加工參數(shù)下的氣孔和總?cè)毕荩ò饪缀土鸭y）體積比。圖例中的“B”表示藍(lán)激光無送粉激光加工；“R”表示紅外激光無送粉激光加工；“BP”表示藍(lán)激光送粉激光加工；“RP”表示紅外激光送粉激光加工。

圖 7藍(lán)激光和紅外激光（功率為1500 W）下不同送粉條件下的CT結(jié)果

本文研究了藍(lán)光和紅外激光變化的吸收率，實現(xiàn)了在實際激光加工環(huán)境中對吸收率的精確測量。吸收率測量值顯示了藍(lán)激光在熱導(dǎo)熔池模式下的優(yōu)勢。通過同軸相機(jī)數(shù)據(jù)，首次提出了由馬蘭戈尼流驅(qū)動的吸收率變化機(jī)制，解釋了熱導(dǎo)熔池模式下吸收率隨功率和送粉率的變化。本文首次報道了藍(lán)激光加工在減少缺陷方面的優(yōu)勢。與紅外激光相比，藍(lán)激光加工缺陷的體積比更小，這體現(xiàn)藍(lán)激光在制造應(yīng)用中具有巨大的潛力。

本文得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃國際合作項目、國家自然科學(xué)基金、國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金等經(jīng)費(fèi)的資助。團(tuán)隊近期在藍(lán)激光制造領(lǐng)域取得系列進(jìn)展，代表性研究論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》、《Scripta Materialia》、《Virtual and Physical Prototyping》、《Journal of Materials Processing Technology》、《Welding Journal》等期刊上。

相關(guān)論文鏈接：

10.1016/j.addma.2024.104147 ， 10.1016/j.jmatprotec.2023.118068 ， 10.1016/j.jmatprotec.2023.117859 ， 10.1016/j.jmatprotec.2024.118292 ， 10.1016/j.msea.2022.144517 ， 10.1016/j.jallcom.2022.167572 ， 10.1016/j.optlastec.2023.109971 ， 10.1016/j.optlastec.2024.110701 ， 10.1080/17452759.2022.2120405 ， 10.29391/2024.103.018 ， 10.1016/j.addlet.2023.100127 ， 10.1016/j.addlet.2022.100040 ， 10.1016/j.heliyon.2024.e25196 ， 10.1016/j.jmatprotec.2025.118912.

上海交通大學(xué)材料學(xué)院

特種材料研究所

上海交通大學(xué)材料學(xué)院特種材料研究所是金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實驗室的重要組成部分，由王浩偉講席教授任負(fù)責(zé)人，與國際著名大學(xué)和大型企業(yè)建立多個聯(lián)合實驗室。研究所主要從事新型特種材料的設(shè)計、制備及其成形技術(shù)研究，支撐了多項國家重大工程需求，在航空航天和汽車軌交等多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。多年來承擔(dān)重點(diǎn)研發(fā)計劃、民機(jī)預(yù)研、民用航天預(yù)研、國家自然科學(xué)基金及國際合作項目等五十余項。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文近 300 篇，獲授權(quán)中國國家發(fā)明專利 100 余項。先后獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。

團(tuán)隊現(xiàn)長期誠聘激光增材制造工藝和裝備、增材制造材料、增材制造過程同步輻射成像、增材制造超結(jié)構(gòu)等方向博士后。聯(lián)系人：王洪澤 (hz.wang@sjtu.edu.cn) 。

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