一、行业研究背景
传统激光焊接仅依靠激光功率、行走速度、固定光斑调控焊缝，有效稳定工艺窗口极窄，极易产生气孔、飞溅、驼峰、裂纹等成形缺陷。相干合成（CBC）动态光束激光器可自由定制环形空间光强分布，能主动干预匙孔、熔池流体动力学行为，但不同环形光束如何影响匙孔演化、工艺稳定性的底层机理缺少系统量化研究。
文章基于 OpenFOAM 搭建高精度多相流多物理仿真模型，结合316L不锈钢平板焊接实验完成模型校验，构建「激光功率-焊接速度-CBC环形光束尺寸」三维全参数数据库，清晰划分两种无缺陷稳定匙孔模态与易产生缺陷的过渡区间，为动态光束激光焊接的工艺快速匹配、参数逆向优化提供完整仿真支撑。
单点/环形光束实验与仿真熔池对照
二、仿真建模与实验验证方案
1. 高精度多物理仿真体系
采用开源OpenFOAM可压缩多相Mass-of-Fluid求解器，完整耦合固/ 液/气相相变过程，自动计算金属汽化反冲压力，无需额外边界简化假设；匙孔区域采用四级动态网格加密，最小网格尺寸62.5μm，配合自适应时间步长捕捉毫秒级匙孔动态波动。
316L不锈钢热物性采用权威实测数据标定，液态金属表面张力等关键熔融参数匹配高温钢实验文献修正，保证仿真精度。
2. 基准实验对标（校验仿真可信度）
选用两组典型相干合成环形光斑开展5kW、0.25m/min 堆焊实验，将金相截面与仿真熔池轮廓比对验证模型：
1) ID0 单点光斑：最小聚焦光斑，直径 136μm，能量高度集中；
2) ID16 大环形光斑：内环123μm、外环395μm，能量宽幅均匀分布。
3. 三维参数仿真矩阵
共完成 73 组全覆盖仿真，三大变量：
1) 激光功率：4~8kW；焊接速度：0.2~0.4m/s；
2) 17级梯度环形CBC光束（ID0单点～ID16大圆环）；
约束目标熔深1~4mm，剔除极端高功率低速工况，生成完整工艺数据集，用于训练正向焊缝预测、反向工艺优化降阶模型。
三维工艺参数空间分布图
三、核心仿真研究成果
仿真结果识别出三类匙孔演化模式，熔池流场、焊缝成形质量存在本质差异：
1. I 型匙孔（小单点/小环形光束，ID0区间）
I型匙孔温度云图
I型熔池流速矢量
· 成形机理：光斑集中、功率密度高，匙孔前壁倾角小，激光直射形成细长 I型深通道；
· 熔池流场：三套有序稳定环流（匙口蒸汽涡流、底部反压涡流、尾段马兰戈尼涡流），流体运动高度可控；
· 工艺优势：同等线能量下熔深更大，可采用更高焊接速度、更低热输入，工件热变形小；
· 焊缝特征：窄深钉头截面，无气孔、无持续飞溅，成形一致性好。
2. J 型匙孔（大环形光束，ID16 区间）
· 成形机理：环形宽幅能量、功率密度偏低，匙孔前壁倾角大，激光多次反射使通道向后延展，形成J形宽大通道；
· 熔池流场：仅马兰戈尼表面环流主导，底部向前流体持续托举匙孔壁，抑制孔洞捕获；
· 工艺优势：焊缝熔宽大，完美适配对接焊、需要宽熔合区工况，匙孔不易瞬时坍塌，气孔风险极低；
· 短板：达到同等熔深需要更高线能量，工件整体热输入更大。
3. 过渡失稳模态（中等环形光束ID8，缺陷高危区）
· 流场特征：I型底部涡流与J型马兰戈尼流场相互抵消，熔池流体呈现无规则混沌扰动；
· 典型缺陷：匙孔频繁塌陷，气泡滞留熔池形成密集内部气孔，加工过程持续大量飞溅；
· 工艺规避方案：固定光斑时调整功率/速度改变线能量；固定工艺参数时直接切换极小单点或超大环形光束，跳出缺陷区间。
4. 熔深量化变化规律
熔深随线能量密度变化曲线
· 熔深随激光功率线性上升，随焊接速度、环形光束外径增大同步降低；
· 相同线能量密度条件下，小ID单点光束熔深显著高于大ID环形光束；
· 缺陷过渡区间呈狭长带状分布，随线能量提升，区间向更大光束尺寸、更深熔深处偏移。
四、工业落地核心结论
1. CBC 环形光束可主动重塑匙孔拓扑与熔池流场，提供两套无缺陷稳定工艺窗口
达成同一目标熔深存在两套可选工艺方案：
· 高效低变形需求：选用单点/小环形光束，I型匙孔，高行走速度、低线能量，适合薄板高速焊接；
· 宽熔合对接需求：选用大环形光束，J型匙孔，成形平稳、气孔少，适合厚板对接焊缝；
2. 生产避坑指南：中等尺寸环形光束极易落入过渡失稳区间，实际加工优先选用极小单点或超大环形两类极端光场，规避中间ID光斑；
3. 多物理仿真具备批量快速筛参能力，73 组仿真数据集可训练双向降阶模型：正向输入工艺参数预测焊缝形貌，反向输入目标熔深 / 熔宽自动输出最优 CBC 光束、功率、速度组合，大幅缩短现场调试周期。
五、后续研究展望
1. 拓展椭圆、线型非对称 CBC 光束仿真，完善二维参数光场数据库；
2. 新增光束振荡频率变量，研究动态扫描光场对匙孔波动、飞溅的抑制效果；
