对蓝光激光加工铜材料过程中铜蒸气的动态行为、匙孔行为及等轴晶的形成进行建模，能够帮助研究者深入理解蓝光激光加工过程中的物理现象及其对加工质量的影响。过去的研究往往忽视了铜蒸气和匙孔行为的耦合效应，以及等轴晶形成机制。来自日本大阪大学、上海交通大学等机构的研究者们开发了一个耦合铜蒸汽和匙孔的数值模型，包括一个简单的虚拟网格细化方法，用于研究铜材料在蓝色激光加工中的铜蒸汽和匙孔行为，并采用电子背散射衍射（EBSD）测量熔合区的晶体结构。![]()
图1 计算域和网格尺寸：(a)俯视图；(b)侧视图；(c)激光与物质的相互作用。
数值模拟工作的网格划分及激光-材料相互作用如图1所示，在蓝光激光加工过程中，激光束垂直入射于铜材料表面，用于加热材料表面并形成匙孔。如图2所示，在初始熔化后，形成了一个小熔池。铜蒸气在熔池边缘向内流动，在熔池中心上方向上流动，最大速度为98.2 m/s。在t=0.2s时，熔池内部形成了一个深匙孔，匙孔底部的熔体温度更高。铜蒸气主要在匙孔内部向下流动，而在匙孔上方向上流动，最大速度为25.1 m/s。图3是t=0.146s时，Cu蒸气和熔池在y=0对称面上的行为。研究发现，铜蒸汽主要在匙孔上方向上流动，而匙孔内部观察到向下流动。反冲力和马兰戈尼应力导致匙孔壁处的熔融物向下流动，马兰戈尼应力导致熔池边缘处的熔融物向外流动。![]()
图2 y = 0对称面上的Cu蒸气和匙孔行为：(a) t =0.01 s；(b) t =0.2 S。
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图3 t = 0.146 s时，Cu蒸气和熔池在y = 0对称面上的行为。
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图4 (a) t = 0.2 s时的激光热流分布；(b)激光吸收和能量效率随时间变化曲线。
图4(b)总结了激光热通量和激光能量吸收情况。在匙孔前壁，激光热通量较高，最大值高达1.49×108 W/m²。平均激光吸收和能效在初始熔化后分别约为937.2 W和62.5%。在匙孔形成过程中，平均激光吸收和能效分别增加到1045.6 W和69.7%。当匙孔形成时，平均激光吸收和能效分别增加到1164 W和77.6%，蓝光激光的最大能效可高达83.1%。![]()
图5 (a)熔化区的IPF着色图像；(b)晶粒尺寸分布；(c)计算和实验熔合区几何形状的比较。
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图6 t = 0.2 s时匙孔壁面处的轨迹分布：(a) x方向的后坐力；(b) y方向的反冲力；(c) z方向的反冲力；(d) x方向的Marangoni应力；(e) y方向的Marangoni应力；(f) z方向的Marangoni应力。
图5展示了蓝光激光熔化区的反极图(IPF)着色图像和晶粒尺寸分布。可以清楚地看到，熔合区中心主要形成了细小的等轴晶粒，而靠近熔合边界的区域生成了较粗的柱状晶粒。最小、最大和平均晶粒尺寸分别为0.8 μm、61.4 μm和26.9
μm。图6显示了反冲力和Marangoni应力分布。反冲力和Marangoni应力在熔池的左半部分主要为负，在右半部分主要为正。在熔池的前部和后部，反冲力和Marangoni应力主要为正和负。反冲力主要限制在匙孔内，其大小远高于Marangoni应力。由于高热导率，蓝光激光加工铜的匙孔前部熔层相对较厚。蓝色激光在铜材料加工中表现出比传统红外激光更高的能量效率，最高达83.1%，并且能够促进铜蒸汽的强烈喷射和特定的流动模式，导致在熔合区中心形成细小的等轴晶，而不是边缘区域常见的柱状晶，这一发现对于提高铜材料激光加工的质量和效率具有重要意义。相关研究成果以“Dynamic vapor and keyhole behavior,
and equiaxed dendrite formation in blue laser processing of copper”为题发表在International Journal of Heat and Mass Transfer 209 (2023) 124102上，论文第一作者为Dongsheng Wu，通讯作者为Junhao Sun和Zhuguo Li。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124102
