Fan X, Fleming T G, Clark S J, et al. Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing[J]. Science, 2025, 387(6736): 864-869.
Fan, Xianqiang, et al. "Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing." Science 387.6736 (2025): 864-869.
Fan, X., Fleming, T. G., Clark, S. J., Fezzaa, K., Getley, A. C., Marussi, S., Wang, H., Leung, C. L. A., Kao, A., & Lee, P. D. (2025). Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing. Science, 387(6736), 864-869.
背景简介
在激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）过程中，匙孔（keyhole）不稳定性可能导致匙孔坍塌和孔隙形成。通过高速X射线成像，发现由流动涡旋引起的匙孔后壁突起在引发匙孔不稳定性方面起着关键作用。施加横向磁场可以通过驱动次级热电磁流体动力学（TEMHD）流动来抑制匙孔不稳定性，从而改变整体流动涡旋。这种作用减少了突起的形成和大幅度的匙孔振荡。抑制效果取决于激光扫描方向相对于磁场方向的关系，因为这决定了塞贝克（Seebeck）效应诱导的洛伦兹力的方向。研究表明，在LPBF尺度下，电磁阻尼较弱，而对于具有较大Seebeck系数的合金，TEMHD成为控制匙孔后方流动的主导机制。
成果介绍
（1）图1展示了有磁场和无磁场情况下匙孔动态及坍塌的对比。在匙孔坍塌过程中，依次经历了五个过程及相应的匙孔形态变化（图1，A1至A5）。匙孔孔隙的形成归因于由匙孔不稳定性引起的匙孔坍塌。模拟结果显示，匙孔后壁的平均温度低于前壁，因此其反冲压力较低。较弱的反冲压力使得后壁更易受到波动影响而发生坍塌，因此，匙孔后壁后的熔体流动对匙孔不稳定性产生了巨大影响。施加垂直于扫描方向的磁场（0.5 ± 0.1 T）可显著减少RL-B扫描中的匙孔孔隙，将匙孔孔隙面积降低81%。在整个过程中，匙孔形态保持I型（图1，B1至B5），表明磁场使匙孔更加稳定。在无磁场条件下，匙孔行为和孔隙形成与激光扫描方向无关，总匙孔孔隙面积在整个过程中保持一致。然而，当施加磁场时，这种匙孔动态的对称性被打破。
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图1 匙孔形态在有磁场和无磁场条件下的对比。(A1至A5) 在无磁场条件下，匙孔坍塌及孔隙形成过程。(B1至B5) 在磁场作用下的典型匙孔形态演变（视频S1）。实验参数：激光功率225 W，扫描速度0.5 m/s，激光光斑直径47 μm
（2）图2展示了磁场作用对熔池流动机制的影响及相关观测结果。在无磁场情况下，熔池流动模式的示意图（图2A）显示，匙孔后方的xz平面内存在两个流动涡旋单元，并呈现了匙孔坍塌过程（图2，B1至B4）。在熔池上部中央，由马兰戈尼效应增强的外向流动（图2B1）加剧了匙孔波动，并改变激光束的路径。突起下方区域接受的能量减少，而上部则因自底部反射的激光增强了局部加热效应。这导致匙孔中部的反冲压力降低，而上部压力升高。由于中部反冲压力较低，周围的液态金属开始填充匙孔中部，形成收缩颈部（图2B2）。同时，激光束在匙孔底部发生多次反射，进一步汽化金属，使匙孔根部迅速扩张并向熔池后方推进。随后，匙孔的液-气界面在表面张力的驱动下，以5至6 m/s的速度收缩（图2B3）。
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图2 有无磁场作用下的熔池流动对比 (A) 无磁场条件下熔池流动模式的示意图（激光束沿RL方向扫描）(B1至B4) 相关的匙孔坍塌过程。(C) 在磁场作用下（RL-B）熔池的流动模式。(D1至D3) 由热电（TE）力驱动的向后和向上流动示意图，这种流动维持了RL-B条件下的I型匙孔（对应C）。(E和F) 在RL-B和LR-B扫描中，W粒子的运动轨迹显示热电力反转引起的流动方向变化（当扫描方向反转时）。(G) 逆向扫描（LR-B）时的熔池流动模式
（3）在三个不同高度（分别为平均匙孔深度的 1/3、1/2和 2/3 处）的横截面如图3A所示。图3B显示了重建后的tCS，其中明亮的垂直区域代表匙孔的宽度。该亮区的上边缘对应于匙孔的后壁，而下边缘对应于前壁。因此，图3B中每个明亮的峰值表明了匙孔振荡事件达到最大幅度的瞬间，即匙孔前后壁之间的最大距离。计算了平均峰-峰振荡频率，对匙孔振荡的分析揭示了两个显著趋势。首先，在接近匙孔开口处（1/3位置），匙孔的振荡频率为 0.7 kHz，且振幅较小；而在更接近匙孔底部的区域（2/3位置），振荡频率（2.3 kHz）和振幅均明显更高（见图3C 至 3E）。这些观察结果表明，匙孔底部附近的振荡对整体匙孔不稳定性及其导致的孔隙形成贡献最大。其次，发现匙孔的后壁振荡比前壁更明显（这可以从图3B重建图像中后壁侧更多的峰值数量看出）。这表明匙孔后壁在决定整体匙孔不稳定性方面起着重要作用。这一观察结果与以往研究形成对比，后者强调匙孔前壁的凸起是导致 Ti6Al4V 匙孔塌陷的主要因素。由于材料特性的显著差异，例如热导率（AlSi10Mg 为 9032 W·m-1·K-1）和粘度（AlSi10Mg 为 0.001 Pa·s，Ti6Al4V 为 0.005 Pa·s），铝合金可能具有不同的匙孔塌陷机制。因此，将分析重点放在 2/3 位置匙孔后壁的振荡如何影响孔隙形成。在零磁场条件下， 2/3 深度处的匙孔振荡幅度在 0 至 90 μm 之间（0 幅度定义为该位置的匙孔平均宽度）。将振荡幅度分为三个区间：轻微（0~60 μm）和强烈（60~90 μm）。整体匙孔振荡频率为 6.1 kHz，与先前研究测得的 ~2.5 至 ~10 kHz 频率范围一致。该振荡频率远低于 Ti 合金的匙孔振荡频率（16 kHz），这可能归因于铝合金与钛合金材料特性的差异。此外，振荡频率随着振幅的增加而降低：轻微振荡的频率为 3.7 kHz，中等振荡为 1.7 kHz，而强烈振荡的频率则降至 0.7 kHz。稳定的匙孔通常呈现轻微振荡状态。
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图3 匙孔振荡的量化分析 (A) 图像序列捕捉匙孔动态，蓝色、绿色和黄色横截面分别对应匙孔平均深度的1/3、1/2和2/3位置。(B) 通过对图像序列 (A) 进行时间切片（tCS）得到的时序截面，每个峰值对应一次周期性的匙孔振荡事件。(C至E) 分别展示在(A)中1/3、1/2和2/3深度位置的tCS结果。(F) (E) 在磁场作用下（RL-B条件）的对应重构图像。(G) 在有无磁场条件下，匙孔振荡频率与振荡幅度的对比。重构图像中的倾斜线条代表基板移动的特征——例如，一旦匙孔孔隙被捕获在固体中，它将保持相对于基板静止，并在(E)中呈现为沿时间轴和横截面方向移动的明亮倾斜条纹
致谢
所有作者对美国先进光子源（APS）提供的实验设施表示感谢，并感谢 APS 提供的束流时间（GUP-73825），以及束线 ID32 的工作人员提供的技术支持。本研究使用了 APS 资源，该设施是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，由阿贡国家实验室根据合同号 DE-AC02-06CH11357 为 DOE 科学办公室运营。本文第一作者：Xianqiang Fan（University College London），本文通讯作者：Xianqiang Fan（University College London）、Chu Lun Alex Leung（University College London）、Andrew Kao（University of Greenwich）、Peter D. Lee（University College London）。
本期小编 吴林森（整理）
姚辰霖（校对）
郭子键（审核）
董乃健（发布）
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