在激光焊接和激光粉末床熔
融
（LPBF）过程中，匙孔（keyhole）不稳定性会导致匙孔坍塌和孔隙形成。
通过高速X射线成像技术，
伦敦大学学
院
Peter D. Lee
教授
，
Chu Lun Alex Leung
副教授，
Xianqiang Fan
和格林威治大学
Andrew K
ao
等人
发现匙孔后壁上的流动涡旋诱导的凸起是引发匙孔不稳定性的重要因素。研究表明，施加横向磁场可以通过驱动二次热电磁流体动力学（TEMHD）流动来抑制匙孔不稳定性，这种流动改变了整体的流动涡旋，从而减少了凸起和大振幅的匙孔振荡。这种抑制效果取决于激光扫描方向与磁场方向的相对关系，这会控制塞贝克效应（Seebeck effect）诱导的洛伦兹力（Lorentz force）的方向。还发现，在LPBF的尺寸范围内，电磁阻尼较弱，而对于塞贝克系数较大的合金，TEMHD成为控制匙孔后流动的主导机制。
相关文章以“
Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing
”为题发表在
Science
上！
增材制造（AM）能够高效且按需生产具有复杂几何形状和精细细节的零件。激光粉末床熔化（LPBF）是目前最受欢迎的金属增材制造技术之一，通过逐层熔化粉末形成交错的轨迹来构建复杂的三维（3D）物体。该过程涉及复杂的物理现象，包括熔化、汽化、快速凝固、激光多次反射、流体流动和相变。金属在高强度激光加热下会发生局部表面沸腾，产生金属蒸汽射流。反冲压力将液体向下推，形成一个蒸汽凹陷区；如果该凹陷区狭窄且较深，则称为匙孔。匙孔坍塌导致的孔隙形成与匙孔振荡密切相关，例如，频率约为43 kHz的周期性匙孔振荡通常会引发随后的混沌和孔隙生成的湍流。随机形成的大型匙孔孔隙会降低零件的合格率，并可能成为应力集中点，在部件服役期间引发疲劳裂纹。
通过优化工艺参数以减少匙孔孔隙的方法只能通过使用低面积激光能量密度来实现，这导致了一个狭窄且构建速度缓慢的工艺窗口。添加纳米颗粒可以稳定匙孔，但会增加显著的成本，并可能改变化学成分，从而偏离所需的材料等级。施加非接触式外部磁场可以克服这些限制，并有望通过电磁力调节匙孔动态。特别是塞贝克效应（Seebeck effect）——一种热电（TE）效应——在包括核聚变中的锂传输、不混溶液体相分离以及传统铸造和定向能量沉积（DED）中的凝固过程中的流动干扰等多个领域受到越来越多的关注。在LPBF过程中存在高热梯度，预计会在熔池中产生显著的热电电流（TECs），施加的外部磁场可以与TECs相互作用，诱导洛伦兹力（Lorentz force），从而实现对匙孔动态的精确控制。然而，更好地理解与塞贝克效应相关的磁场控制机制仍然具有挑战性，主要是因为缺乏在磁场影响下激光熔化过程中匙孔动态和熔池流动的直接观察。以往的原位研究使用基于激光的照明源照亮匙孔，成像速度限制在几千赫兹。在这些研究中，使用高能量激光产生比LPBF熔池大几百倍的焊池。
为了缓解匙孔孔隙率，
本文
在美国先进光子源（APS）的32ID光束线上，使用高速同步辐射X射线成像技术捕捉了AlSi10Mg合金在激光熔化过程中的匙孔坍塌。本研究中使用的基底尺寸为50 mm×10 mm×0.8~1.1 mm，材料为AlSi10Mg。图1展示了磁场的X射线成像系统设置（图1A）以及以高空间分辨率（2 μm）和时间分辨率（140 kHz）获取的示例射线图像（图1B）。在进行零磁场实验时，移除了两个环形磁铁。当激光扫描方向从右到左时，称为RL，施加磁场时为RL-B；对于从左到右的扫描，则为LR和LR-B。结果显示，当施加约0.5 T的横向磁场时，RL-B扫描中的匙孔孔隙总面积减少了81%。
图1：x射线成像系统与两个环形磁体在激光熔化点提供一个静态磁场
图
5
：在磁场存在的情况下，AlSi7Mg合金的匙孔动态和孔隙形成机制受到激光扫描方向的影响
。
综上所述，通过在激光束参考系中进行高速同步辐射
X
射线成像，证明了匙孔后壁上的凸起形成（由熔体流动驱动）会引发不稳定性，从而导致匙孔坍塌。在对高硅铝合金（如
AlSi10Mg
）进行激光熔化时，施加
0.5
±
0.1 T
的磁场，并采用从右到左的扫描方向（
RL-B
），匙孔孔隙率降低了
81%
。这种降低源于磁场通过塞贝克效应改变熔体流动，从而抑制了匙孔后壁上的凸起形成，而这种凸起是导致大振幅匙孔振荡的主要原因。研究发现，塞贝克效应诱导的洛伦兹力的方向取决于激光扫描方向与磁场方向的相对关系。无量纲分析表明，在低磁场条件（
<1 T
）下，通过电磁阻尼（
EMD
）稳定匙孔振荡在激光粉末床熔化（
LPBF
）中并不可行，但增加塞贝克功率（例如通过增加硅含量）可以激活热电（
TE
）力，从而成为一种可行的稳定机制。这项工作解决了长期以来关于静态磁场对熔池动态影响的矛盾理论，表明在
LPBF
中，由于其尺寸远小于焊接，热电效应主导熔池流动，稳定匙孔并防止孔隙形成。
Xianqiang Fan*, Tristan G. Fleming, Samuel J. Clark, Kamel Fezzaa, Anna C. M. Getley, Sebastian Marussi, Hongze Wang, Chu Lun Alex Leung*, Andrew Kao*, Peter D. Lee*,
Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing
,
Science
,
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554
