一、行业研究背景
高功率高速激光焊接是新能源车身、压力容器、船舶薄板核心制造工艺，提速可大幅提升产线效率，但咬边（Undercut）成为关键工艺瓶颈：焊缝两侧出现凹槽缺口，形成应力集中源，直接降低接头强度、密封性，产品报废率大幅上升。
目前学界针对驼峰缺陷研究较多，但高速工况下咬边的底层流体力学生成机制长期缺少定量、可视化解释。文章依托CIVAN OPA6 相干合成（CBC）动态光束焊接平台，同步搭载高速摄像、X射线透视、偏振测角仪三套原位观测设备，从熔池表面曲率演变全新视角完整阐明咬边诞生根源，为动态光束整形抑制咬边提供底层理论依据。
图1含咬边铝合金焊缝金相截面。图注：EN AW-6082 铝合金，16kW、30m/min 焊接，焊趾两侧出现明显咬边缺口，标尺 1mm
二、熔池曲率与缺陷基础流体力学机理
熔池液面形态由表面张力、熔池静压力相互平衡（拉普拉斯方程），熔体流速遵循伯努利定律：
1. 熔体流速高→动压升高、静压力下降→熔池表面下凹（凹曲率）；
2. 熔体流速骤降→动压降低、静压力突增→熔池表面隆起（凸曲率）；
低速焊接：熔池流速、压力平缓渐变，凹/凸曲率连续过渡，焊缝侧壁光滑无缺口；
高速临界速度工况：熔池特定位置静压力断崖式飙升，曲率突然由凹转为凸，凝固后焊趾形成台阶状咬边凹槽。
图2熔池压力场与凹凸曲率演变原理示意图。图注：模拟熔池压差云图，I~V 截面展示匙孔后方凹曲率向熔池尾部凸曲率的变化过程；低速下曲率连续变化，无咬边缺陷。
三、整套试验观测方案
1. 试验硬件与工艺
· 激光器：Civan OPA6 CBC 相干合成动态光束激光器，100kHz 光斑刷新频率；
· 基材：5mm 厚 S235 低碳钢；
· 两组对照（统一线能量 37.5J/mm）：
① 低速组：8m/min、5000W（无咬边基准）
② 高速组：10m/min、6250W（产生明显咬边）
图3 多维度同步观测实验平台。图注：集成高速相机、X 射线成像系统、偏振测角仪、辅助照明激光，同步捕捉熔池三维形貌。
图4 试验所用CBC环形基准光场。图注：中心环形能量分布，主光斑直径 136μm，标尺 500μm。
2. 三套同步表征手段
· 10kHz高速反射成像：捕捉熔池全域流动差异；
· 250帧X射线透视：穿透板材观测熔池内部纵向截面；
· 16.5kHz 偏振测角仪：采集熔池表面法向角，量化凹凸曲率分界坐标。
四、核心试验观测图文结果
1. 高低速熔池流动成像对比
低速8m/min：熔池全域灰度均匀，流动平缓，曲率连续过渡；
高速10m/min：匙孔后方3.3mm处出现高亮突变线条，对应曲率切换、咬边起源位置。
图5高低速高速成像差值图+焊缝截面对照。图注：(a) 8m/min 低速无咬边，熔池灰度均匀；(b) 10m 高速出现突变亮线，右侧截面可见两侧咬边缺口。图注：(a) 方位角 α 云图标注曲率突变分界线、咬边生成区域；(b) X 射线透视熔池凹凸内部结构，标尺 2mm。
2. 偏振角云图+X射线双重验证曲率突变机理
10m/min高速工况：距离匙孔约3.3mm处方位角正负翻转，代表熔池曲率由凹突变为凸；X 射线截面同步验证该分界位置对应焊趾咬边凹槽，单侧熔体不对称流动会加剧单侧咬边深度。
五、核心研究结论
1. 高速激光焊接咬边的本质：熔池局部静压力突变引发曲率断崖式切换
低速焊接熔池压力、流速平稳，凹凸曲率平滑过渡；当焊接速度超过临界阈值，熔池中段熔体流速骤降，静压力瞬间暴涨，液面曲率突变，金属凝固后在焊趾形成咬边缺口。
2. 三套观测设备数据完全互证，可精准定位缺陷生成临界位置
偏振测角仪可量化曲率切换坐标，搭配X射线透视直观观测熔池内部轮廓，为产线在线缺陷预警提供检测方案。
3. 为CBC动态光束抑缺指明优化路径
通过CBC实时重塑激光能量分布，均匀熔池全域流速，消除局部流速骤变区域，平缓全域压力梯度，从流体动力学根源抑制咬边生成。
六、后续研究方向
1. 量化焊接速度、光束形貌、热输入对曲率突变阈值的影响规律；
2. 开发时序动态CBC光束，主动均衡熔池流动，实现高速无咬边焊接；
3. 搭建熔池曲率在线监测+光束自适应闭环调控系统。
