摘要

激光焊接与激光粉末床熔融（LPBF）过程中的匙孔不稳定性会导致匙孔坍塌与气孔形成。通过高速X射线成像，我们发现后匙孔壁的流动涡流诱导突起是引发匙孔不稳定性的关键因素。施加横向磁场可通过驱动次级热电磁流体动力学（TEMHD）流改变净流动涡流，从而抑制匙孔不稳定性。这显著减少了突起形成和大振幅匙孔振荡。抑制效果取决于激光扫描方向与磁场方向的相对关系，因为这决定了塞贝克效应诱导的洛伦兹力方向。研究表明，在LPBF尺度下电磁阻尼较弱，对于具有大塞贝克系数的合金，TEMHD成为控制匙孔后方流动的主导机制。

本文创新方法：通过同步辐射X射线成像技术与横向磁场耦合，首次揭示了熔池流动涡流诱导匙孔失稳的物理机制，并利用热电磁流体动力学效应实现对匙孔稳定性的主动控制，突破了传统工艺参数优化的局限性。

图文导读

图1. 配备环形磁铁组的X射线成像系统

(A) 静态激光束在移动基板表面形成熔池，X射线穿透环形磁铁后通过闪烁体转化为可见光图像。

(B) 原始射线图像及其时间平均图像，清晰显示匙孔轮廓与熔池边界。

(C) RL（右向左扫描）与RL-B（施加磁场）条件下匙孔气孔总面积对比。

图2. 匙孔动态行为对比

(A1-A5) 无磁场条件下匙孔坍塌的5个阶段：(A1)后壁突起形成，(A2)形态失稳，(A3)匙孔根部扩张，(A4)J型匙孔形成，(A5)坍塌与气孔捕获。

(B1-B5) 0.5T磁场下RL-B扫描保持稳定的I型匙孔形态。

图3. 磁场调控机理示意图

(A) 无磁场时熔池流动模式（包含az平面双涡流）。

(B1-B4) 马兰戈尼流强化后壁突起导致匙孔坍塌的过程。

(C) RL-B扫描时TEMHD流（xy平面粉色涡流）抑制涡流冲击。

(D) 示踪粒子轨迹显示磁场诱导的向上流动。

(E-F) 不同扫描方向下熔池深度变化（RL-B变浅，LR-B加深）。

(G) LR-B扫描时逆向TEMHD流增强后壁突起。

图4. 匙孔振荡定量分析

(A) 匙孔深度1/3、1/2、2/3处的瞬态截面位置。

(B) 时间切片重建图像显示振荡峰值特征。

(C-E) 不同深度位置振荡频率与振幅分布。

(F) 磁场作用下振荡幅值显著降低。

(G) 磁场使强振幅振荡（60-90μm）频率降低71%。

图5. 扫描方向对熔池动态的影响

(A1-A4) RL-B扫描保持稳定I型匙孔。

(B1-B4) LR-B扫描出现周期性I-J型转换。

(C-D) 孔隙形貌对比（RL-B气孔尺寸减小83%）。

(E) 孔隙等效直径与匙孔宽度统计。

结论

通过在激光束参考系下进行高速同步辐射X射线成像，我们证明了熔体流动驱动的匙孔后壁突起形成是引发不稳定性并最终导致匙孔坍塌的关键因素。在AlSi10Mg合金激光熔化过程中施加0.5T横向磁场（RL-B扫描方向），通过塞贝克效应诱导的热电磁流体动力学（TEMHD）流动重构熔池涡流结构，使匙孔气孔总面积减少81%。研究揭示了磁场方向与扫描方向的空间耦合机制——当激光扫描方向与磁场取向构成特定组合（RL-B）时，TEMHD流可有效抑制后壁突起形成，而逆向扫描（LR-B）则会加剧流动失稳。通过无量纲分析证明，在LPBF微尺度条件下，提高合金塞贝克系数（如增加硅含量）可强化TEMHD效应，为无成分改性的匙孔稳定性控制提供了新范式。

文献链接

Xianqiang Fan et al. Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing.Science387,864-869(2025).

说明：

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