长三角G60激光联盟导读

各位材料、焊接及增材制造领域的同仁们，今天为大家深度解读一篇发表在 Nature 子刊《Communications Materials》（2025 年，第 6 卷：94 期）的重磅研究！该研究聚焦铝合金交流电弧焊接与增材制造中的核心科学问题 —— 金属流动机制，通过原位 4D X 射线辐射成像与激光高速成像等先进技术，揭示了此前未被清晰认知的熔池流动规律，为优化轻金属制造工艺、提升产品质量提供了关键理论支撑。无论是从事科研攻关，还是一线工艺优化，这篇论文的发现都值得关注！

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文章导读

摘要

交流（AC）电弧熔化技术已被开发用于轻质材料制造，并为焊接和增材制造提供了潜在热源。然而，交流电弧熔化过程中的金属流动及其相关影响机制仍不明确。本文通过原位 / 操作 4D X 射线辐射成像与激光高速成像技术，研究了铝合金在交流钨极电弧熔化过程中的三维内部与表面流动行为。结果表明，正极性（EP）下的熔池流动速度远高于负极性（EN）。研究发现，在正极性阶段，熔池表面的阴极斑点运动是影响液态金属流动的主要因素。该研究成果可为交流电弧熔化轻金属的工艺优化提供指导。

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部分图文

铝合金、镁合金及其合金在航空航天、汽车、轨道交通、电子电气领域应用广泛，可实现节能需求，也适用于需轻量化以降低惯性力的高速运行部件。焊接与增材制造等加工方法是轻合金结构制造中不可或缺的环节。其中，交流钨极气体电弧作为铝合金、镁合金加工的典型热源，具有无飞溅、烟雾少、稳定性较高、质量优良及可通过阴极斑点清理氧化膜等优势。电弧熔化产生的熔池动力学行为与制成品的质量和力学性能密切相关，但尽管经过数十年发展，由于阴极斑点、电弧力、热传输等问题尚未解决，交流电弧熔化熔池流动的复杂物理机制仍未被清晰理解。

近年来，随着高速摄像机、X 射线设备、高能同步辐射等硬件，以及成像与数据处理软件的发展，熔池动力学可视化水平得到提升；同时，科研人员也通过计算建模深入研究熔池流动。一般认为，熔池中对流流体流动受浮力、粘性拖曳力、热毛细力和洛伦兹磁压的平衡影响，系统可能由阴极射流拖曳力或马兰戈尼效应主导，具体取决于保护气体成分、熔池尺寸、电弧长度等条件。交流电弧熔化可分为两电极均熔化与仅一电极熔化（非熔化电极主要为钨）两类，尽管交流钨极气体电弧因无熔滴过渡而相对稳定，但极性切换下的钨极熔化与阴极斑点跳跃仍主导着热输出与力输出。正极性阶段的冷阴极斑点会形成凹陷坑，电流密度 > 10¹¹ A/m²，功率通量密度超 10¹² W/m²，其高速运动是重要特征，但保护气体、金属蒸气、熔池温度对斑点行为的影响仍不明确，交流电弧熔化界面的能量与动量平衡认知不足，导致热传输与流体流动机制存在争议。

本研究聚焦交流钨极电弧熔化过程中不同极性下的液态金属流动，采用激光高速成像系统与双 X 射线辐射成像（DXR）观测熔池表面与内部流动，通过时变图像中的示踪粒子原位定量分析液态金属流动。结果显示，无论熔池状态如何，铝合金交流电弧熔化时正极性与负极性阶段的流速存在显著差异，且该差异与正极性阶段阴极斑点的聚集和运动密切相关。深入理解交流电弧熔化的熔池动力学，可优化轻金属熔化工艺，提升制造质量。

图 1 三种不同类型的钨极气体电弧熔化及铝合金熔化观测

• 核心标注：摄像机观测路径垂直于熔池流动方向；误差线代表平均值的一个标准差（SD，standard deviation）；缩写对应全称 ——TIG-arc = 钨极惰性气体电弧（tungsten inert gas arc）、SPA = 软等离子弧（soft plasma arc）、KPA = 小孔等离子弧（keyhole plasma arc）、BM = 母材（base metal）。
• 图 1a 钨极气体电弧熔化结构示意图以钨为电极产生电弧熔化铝合金时，受电弧热力作用，金属熔化变形分为三类模式：
• 模式 1（TIG 电弧）：自由燃烧电弧，能量密度低，熔深浅，气 - 液界面变形小；
• 模式 2（SPA）：软等离子弧，形成 “盲孔熔池”（未完全穿透工件）；
• 模式 3（KPA）：小孔等离子弧，形成 “小孔熔池”（完全穿透工件）。注：铝合金熔化需利用交流电弧的阴极斑点清理工件表面氧化膜，故本研究采用矩形波形的交流等离子弧（即变极性等离子弧 VPPA，variable polarity plasma arc）。
• 图 1b TIG 电弧熔化的观测角度与流速高速摄像机垂直于熔化方向观测（520nm 波长激光辅助成像），当 y=0 时，计算 x 方向流速：正极性（EP）阶段流速显著高于负极性（EN）阶段（补充视频 1）。EP 阶段流速约 10~20 mm/s，平均流速低于 10 mm/s，远低于直流（DC）TIG 熔池流速。
• 图 1c SPA 盲孔熔池的流动观测摄像机沿熔化方向观测（聚焦熔池后侧，该区域流动对焊道成形至关重要），当 x=0 时，y 方向流速仍满足 “EP 阶段> EN 阶段”（补充视频 2）。EP 阶段最大流速约 40 mm/s（略高于 TIG 电弧），平均流速约 10 mm/s（与 TIG 接近）。
• 图 1d KPA 小孔熔池的流动观测小孔熔池的熔合区与其他模式差异显著（工件完全穿透，所需能量更高），但EP 阶段流速仍高于 EN 阶段（补充视频 3）。

图 2 双 X 射线源系统对小孔熔池流动的四维原位 / 操作辐射成像

图 2 整体说明

• 核心标注：HSVC = 高速摄像机（high-speed video camera）、PC = 等离子云（plasma cloud）；两束 X 射线与水平方向夹角均为 30°，且在工件放置处交汇；该系统可获取示踪粒子三维坐标，解决传统同步辐射成像仅能提供二维投影的局限。
• 图 2a 双 X 射线成像系统与熔化装置相对位置示意图系统包含两对 X 射线（微型聚焦 + 迷你聚焦）与高速摄像机，等离子弧形成小孔熔池后，两束 X 射线穿透熔池区域，由摄像机成像；设备位置通过 4 台机械臂（日本 NACHI 公司）校准。
• 图 2b 铝合金板材示意图板材为长方体，尺寸 150 mm（长）×100 mm（宽）×（5/8/10）mm（厚），交流等离子弧熔化并穿透金属形成小孔熔池，熔池沿长度方向移动。
• 图 2c 小孔熔池典型区域划分变极性等离子弧（VPPA）形成的小孔熔池呈 “中间带孔的圆柱形液态金属”，分为 6 个典型区域；其中 “背部、顶部及表面区域的向上流动是焊接成功的关键”（参考文献 52）。
• 图 2d 校准用带孔塑料板（Perforated plastic sheet）实验前将塑料板置于不同位置进行 X 射线成像，根据图像中孔的位置校准空间坐标系，为流速计算提供基准。
• 图 2e 双 X 射线与高速摄像机获取的熔区图像高速摄像机以 2kHz 帧率（2000fps）捕获熔区图像，覆盖小孔与熔池全域；示踪粒子为预嵌入熔化路径的钨球（直径 0.3mm），因钨的 X 射线衰减率远高于液态金属，故在图像中呈深色。
• 图 2f 粒子坐标（Coordinates）与图 2g 流速计算（Flow velocity）通过粒子在不同时刻的空间坐标（x,y,z）与时间间隔，计算液态金属流速（v (x,y,z)）；钨球可同时捕获熔池内部与表面流动（氧化锆粒子仅能测表面流动）。
• 图 2h EN 阶段初期小孔区域放大图展示示踪粒子在小孔区域的相对位置，虚线框内为钨球粒子。
• 图 2i 一个电流周期内的粒子运动EN 阶段（0.0~12.5 ms）：粒子位置几乎不变；EP 阶段（14.5~21.0 ms）：粒子移动距离 Δl 显著，与表面流动观测结果一致（补充视频 4）。

图 3 小孔熔池表面与内部流速分析

图 3 整体说明

• 核心标注：流速数据由 X 射线成像计算单条示踪粒子轨迹的 EP/EN 阶段流速；红色轨迹 = 表面向上流动（surface upwards flow），蓝色轨迹 = 绕小孔后的内部流动（internal flow）；母材厚度分别为 5mm（a、d）、8mm（b、e）、10mm（c、f）；误差线代表平均值的一个标准差（SD）。
• 图 3a~c 不同厚度母材的熔池流动轨迹轨迹差异源于母材厚度导致的熔池尺寸与小孔形态不同：
• 内部轨迹粒子：先沿小孔壁运动，再进入小孔后方熔池深处；
• 表面轨迹粒子：沿熔池表面向上流动。
• 图 3d~f 不同轨迹的 EP/EN 阶段流速
• 粒子靠近小孔壁时：EP 阶段流速远高于 EN 阶段（与图 1 表面流动结果一致）；
• 粒子进入熔池深处后：EN 阶段流速上升，EP 阶段流速下降，最终两极性流速接近；
• 5mm 厚板材表面轨迹：EP 阶段流速约 30 mm/s（高于 EN 阶段）；8mm、10mm 厚板材同理，且小孔壁表面 “EP 流速> EN 流速”，熔池深处两极性流速相近。

图 4 数值模拟得到的小孔熔池表面电弧等离子体流动矢量

图 4 整体说明

• 核心标注
• Arc plasma = 电弧等离子体、Boundary layer = 气 - 液边界层、Welding direction = 焊接方向、Liquid metal = 液态金属、Base metal = 母材；流速单位为 [m s⁻¹]（图中纵轴）。
• 核心结论
• 电弧等离子体流速虽高，但因粘度极低，产生的剪切力（τ≈10³ N/m²）远小于大气压（10⁵ N/m²），难以驱动液态金属流动；且等离子体低密度特性导致未引发开尔文 - 亥姆霍兹不稳定性（Kelvin–Helmholtz instability）。

图 5 铝合金交流电弧熔化中极性相关流动差异的阴极斑点驱动机制分析

图 5 整体说明

• 核心标注：t₀=EP 阶段起始时刻；①②③为流速测量点位（对应图 5a）；PC = 等离子云（plasma cloud）；误差线代表平均值的一个标准差（SD）。
• 图 5a 不同钨极后坐量的小孔熔池三维对流钨极后坐量（tungsten setback）越大，等离子弧约束越强、流速越快、电弧力与压力越高；红色箭头为液态金属流动矢量：
• 小孔前侧：液态金属从底部流向顶部；
• 小孔侧壁：液态金属向上流动并向焊接方向后侧移动；
• 小孔底部：部分液态金属向下流动；2mm、4mm、6mm 钨极后坐量的流动模式基本一致，说明电弧状态 / 力的变化对液态金属流动影响不显著，存在非变量因素（即阴极斑点）主导流动。
• 图 5b 小孔后壁平均流速随钨极后坐量变化，小孔后壁（点位①②③）的液态金属向上流速差异极小，进一步验证电弧力并非流动主导因素。
• 图 5c 阴极斑点在熔池表面运动示意图阴极斑点是 EP 阶段特有现象（与电弧状态无关），从阴极表面的电弧主体分离并高速运动；因斑点高温特性，周围产生大量金属蒸气。
• 图 5d 阴极斑点蒸气射流引起的剪切力示意图阴极斑点产生两种力：蒸发反作用力（recoil force，约 10⁴ N/m³）与金属蒸气射流拖曳力；斑点区域压力高于无斑点区域，形成熔池表面不均匀压力分布，进而产生切向剪切力，驱动金属流动。
• 图 5e 阴极斑点簇产生的等离子云运动
• t₀~t₀+3.0 ms：阴极斑点分散，熔池无明显流动；
• t₀+3.0 ms 后：斑点聚集形成簇（通过金属蒸气观测），并向特定方向移动，液态金属随之显著流动（补充视频 5）。
• 图 5f~g 等离子云边界放大图熔池上方白色 “云状区域” 为斑点簇产生的等离子云（PC）：
• t₀+3.6 ms：等离子云集中在图像左侧；
• t₀+6.0 ms：等离子云逐渐向右移动，示踪粒子同步同向运动，直观证明斑点簇驱动金属流动。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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