上海交大特材所 l 量化铝合金激光增材制造和焊接过程中的吸收率：蓝光更优|基板|液态金属

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3D科学谷洞察

蓝激光在铝合金加工中的吸收率显著高于红外激光，尤其是在热导模式下。这意味着使用蓝激光可以更高效地将激光能量转化为加工所需的热能，从而提高加工效率。蓝激光在减少气孔和裂纹等加工缺陷方面表现出色。这对于航空航天和汽车制造等对材料质量和可靠性要求极高的行业尤为重要。减少缺陷不仅提高了产品的性能和寿命，还降低了生产成本，因为减少了因缺陷导致的废品率。”

铝合金因其轻质高强，在航空航天与汽车制造中被广泛应用。然而，由于铝合金在红外波段下反射率高，易导致孔洞、裂纹等加工缺陷。如何提升其对激光的吸收效率，成为激光制造技术发展中的关键难题。

降低激光能量源的波长是解决红外范围内金属吸收率低问题的一条途径。相比红外激光，蓝激光在金属材料，尤其是高反材料中表现出更高的吸收率，因此受到广泛关注。据报道，蓝激光铝合金沉积中的等轴晶粒比例比红外激光高，有利于获得更高的机械性能。然而，很少有文献报道蓝激光和红外激光之间的吸收率差异。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队联合加拿大多伦多大学邹宇教授团队在《Journal of Materials Processing Technology》期刊上发表题为《Quantifying the absorptivity in laser additive manufacturing and welding of aluminum alloy in the conduction mode》的最新研究成果，首次实现了蓝光与红外激光在铝合金热导模式下吸收率的测量，系统揭示吸收率随工艺参数变化的物理机制，并证实蓝激光相比于传统红外激光在提高吸收率与降低加工缺陷方面的显著优势。第一作者为上海交通大学博士生魏强龙，王洪泽副教授和唐梓珏助理研究员为共同通讯作者，共同作者包括王浩伟讲席教授、吴一副研究员、王茂松博士、博士生任芃源等。论文地址：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118912.

团队通过开发的表面热对流校正(surface thermal convection correction (STCC))模型利用量热法实现对激光加工过程中的吸收率的测量。热对流修正项可以修正激光加工过程中基片的散热，对加工过程金属获得的能量进行更精准描述。修正项采用前后的吸收率计算相对误差最高会超过60%。STCC模型的吸收率计算公式如下：

其中η表示激光吸收率，c(T)表示与温度相关的基板材料比热容、m(t)表示与时间相关的基板质量、T表示温度、S表示基底表面积、h表示对流换热系数、Tf表示环境温度、t表示时间、P表示激光功率、tstart表示加工开始时刻、tend表示加工结束时刻。金属基板通过绝热云母片与加工台进行热隔绝以降低热导产生的热耗散。温度通过热电偶进行测量，并根据温度数据计算加工过程中的吸收率。使用同轴相机对熔池表面动态特征进行采集。

图 1 吸收率测量实验示意图：（a）实验示意图；（b）基板俯视图及热电偶的温度采集的节点分布。

实验分别对红外激光和蓝激光加工条件下的焊接（无粉末输送）和打印（有粉末输送）条件工况不同功率下的吸收率进行测量。在适合加工的功率范围（单道激光扫描有稳定熔池出现的功率范围）内，蓝色激光的主吸收率明显高于红外线激光。这证明了蓝激光在铝合金加工中的吸收率优势。开启送粉后，两种激光的吸收率都有所提高。在适合加工的功率范围内，蓝激光的吸收率增加了2.4%-3.2%，而红外激光器吸收率增加了17.8 %-32.6 %。这证明了蓝激光对粉末导致的吸收率变化不敏感，有利于在激光增材制造中获得更宽的参数窗口。

图2 (a)不同功率下吸收率对比。图例中的“B”表示蓝激光无送粉激光加工；“R”表示红外激光无送粉激光加工；“BP”表示蓝激光送粉激光加工；“RP”表示红外激光送粉激光加工。误差棒表示95%置信区间内的吸收率误差；（b-e）横截面的单道金相结果。

文章作者将吸收率随功率变化分为两个阶段。第1阶段是指在低功率时，吸收率随功率的增加而增加；第2阶段是指吸收率随功率的减小而减小。根据多道激光扫描金相结果可以得出结论，在第1阶段基板由于激光功率的增加开始熔化形成熔池，导致吸收率的增加。而第2阶段的吸收率变化规律在以往的工作中鲜有报道。根据同轴相机监测数据的结果，作者将这一现象归结为以下过程：随着功率的增加，熔池中的马兰戈尼流逐渐将漂浮在熔池上的氧化物排开，越来越多的液态金属直接暴露在激光照射下。由于液态金属的吸收率低于氧化物的吸收率，因此在激光照射范围内直接暴露在激光照射下的氧化物投影面积逐渐减少，吸收率也随之降低。

图3：不同功率值的激光照射下氧化物和液态金属面积的变化。每幅图由三个子图组成：左图为原始同轴相机监测数据，中图为左图进行处理后的数据，右图为说明氧化物和液态金属面积的示意图。右图黄色曲线表示熔池范围。蓝色曲线表示提取的熔池可见氧化物区域，绿色曲线表示液态金属区域，绿色曲线和黄色曲线之间的灰色环表示氧化物区域

图4 4种加工条件下Alm_l和Aox_l的面积对比。Alm_l表示激光照射范围内液态金属的面积，Aox_l表示激光照射范围内氧化物的面积。图例中的“B”表示蓝激光无送粉激光加工；“R”表示红外激光无送粉激光加工；“BP”表示蓝激光送粉激光加工；“RP”表示红外激光送粉激光加工。

对于送粉后吸收率的增加，文章作者将其归因为粉末引入的额外的氧化物导致吸收率升高。送粉前后激光照射范围内氧化物的面积(Aox_l)变化对该结论提供了支撑。由于氧化物的漫反射特性，文章作者选择了一些具有相同曝光参数的实验来比较Aox_l的灰度值，较高的灰度值表示熔池周围具有更多的氧化物。图5显示了平均灰度值的比较。由于红外激光条件下反射强烈，曝光时间会随着功率和粉末参数的变化而改变。在蓝激光实验中，由于能量分布均匀，曝光时间一直设定为20 ms。在图5(a)中，送粉后900W和1500W的平均灰度值分别增加了79.2 %和98.9 %，在图5(b)中，平均灰度值增加比例从105 %（600W）到545 %（1800 W）不等，这说明无论蓝激光还是红外激光，送粉后粉末会引入更多的氧化物。

图 5：激光照射范围内氧化物的面积(Aox_l)平均灰度值的对比。

蓝激光加工的优势不仅体现在吸收率上，还体现在加工质量的提高。气孔和裂纹是铝增材制造和焊接中常见的缺陷。对于含有镁和锌等易蒸发元素的铝合金，熔池中很容易产生气孔。随着热导熔池功率的增加，熔池对流的增强有利于气孔扩散到大气中。热裂纹是凝固熔池中的另一种缺陷。文献报道表明，高功率密度会导致更多的热裂纹。

在这项工作中，文章作者研究了不同单道加工参数下气孔和总缺陷（包括气孔和裂纹）的体积比。孔隙率曲线随着功率的增加呈下降趋势，这符合蒸发引起气孔变化的规律。此外，还注意到送粉后孔隙率降低。三维CT的结果显示，气孔主要集中在熔池边界。一般认为，粉末对熔池的冲击促进了熔池的对流，滞留在高粘度粘稠区的孔隙更容易上浮到空气中。但是，如果考虑到高功率条件下的裂纹体积，可以发现在使用红外激光送粉后，在功率为900W、1500W和1800W时，缺陷体积都会增大。相比之下，使用蓝色激光送粉后，总缺陷体积仍然减小，这与孔隙率规律相同。由此可以得出结论，在增材制造等送粉加工过程中，热裂纹对红外激光的影响比对蓝激光的影响更大。

图 6不同单道加工参数下的气孔和总缺陷（包括气孔和裂纹）体积比。图例中的“B”表示蓝激光无送粉激光加工；“R”表示红外激光无送粉激光加工；“BP”表示蓝激光送粉激光加工；“RP”表示红外激光送粉激光加工。

图 7蓝激光和红外激光（功率为1500 W）下不同送粉条件下的CT结果

本文研究了蓝光和红外激光变化的吸收率，实现了在实际激光加工环境中对吸收率的精确测量。吸收率测量值显示了蓝激光在热导熔池模式下的优势。通过同轴相机数据，首次提出了由马兰戈尼流驱动的吸收率变化机制，解释了热导熔池模式下吸收率随功率和送粉率的变化。本文首次报道了蓝激光加工在减少缺陷方面的优势。与红外激光相比，蓝激光加工缺陷的体积比更小，这体现蓝激光在制造应用中具有巨大的潜力。

本文得到科技部重点研发计划国际合作项目、国家自然科学基金、国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金等经费的资助。团队近期在蓝激光制造领域取得系列进展，代表性研究论文发表在《Additive Manufacturing》、《Scripta Materialia》、《Virtual and Physical Prototyping》、《Journal of Materials Processing Technology》、《Welding Journal》等期刊上。