基于計(jì)算機(jī)的厚壁鋼管激光-電弧復(fù)合焊接熔池穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬分析

李東輝，孫君菊

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南信陽464000）

基于計(jì)算機(jī)的厚壁鋼管激光-電弧復(fù)合焊接熔池穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬分析

李東輝，孫君菊

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南信陽464000）

主要研究管材和船用型材在激光-電弧復(fù)合焊接過程中熔池的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)情況。利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程模型確定了一套合適的焊接參數(shù)，利用激光焊動(dòng)態(tài)模型研究了匙孔深度和振動(dòng)振幅。使用15 kW的光纖激光器，在一個(gè)較寬的焊接參數(shù)范圍內(nèi)對鋼管和不銹鋼進(jìn)行激光-MAG復(fù)合焊。通過對熔池深度及其各自振動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對比，分析了熔池的自振動(dòng)特性。

復(fù)合焊接；熔池；計(jì)算機(jī)模擬

0 前言

30年前，一些學(xué)者提出了同時(shí)用激光束和電子束對金屬進(jìn)行焊接的想法[1]。近年來，隨著高能量CO2激光技術(shù)發(fā)展，可以產(chǎn)生波長10.6 μm的放射線，才使這一設(shè)想成為可能。在激光束作用區(qū)域，此波長的激光束和金屬之間進(jìn)行相互反應(yīng)，從根源上影響聚焦光束，同時(shí)影響部分目標(biāo)區(qū)域的吸收能和相互影響區(qū)域內(nèi)的等離子能。波長1.06 μm的高能激光射線與目標(biāo)區(qū)域的相互作用從本質(zhì)上說與上述射線不同。這種波長的高能激光束具有較差的輻射質(zhì)量和低的可靠性。隨著連續(xù)輻射能可達(dá)30 kW的鐿光纖激光技術(shù)得到發(fā)展，其激光束質(zhì)量高，可靠性高，使這種波長的高能激光得到了廣泛應(yīng)用。

復(fù)合激光電弧焊，在厚重零件的焊接方面是一種最有前景的技術(shù)，其在造船、天然氣、石油管道、橋梁和建筑等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。復(fù)合焊的主要優(yōu)勢是可以焊接厚度達(dá)15 mm或以上的材料，包括高強(qiáng)度鋼和新型合金。盡管復(fù)合焊的焊縫質(zhì)量與激光焊焊縫的質(zhì)量相當(dāng)。但在實(shí)際生產(chǎn)中這種技術(shù)的應(yīng)用受限于一系列過程參數(shù)的相互作用[2]，如焊縫處的孔隙率、裂紋、失效和阻礙，特別是對于焊接合金鋼材料。

通過對激光電弧焊接全過程研究結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)一系列問題，如焊縫上部橫截面的急劇增寬、晶粒向不利的方向生長、焊縫深處硬化結(jié)構(gòu)的存在、氣泡的存在、軸向方向沖擊功低，特別是在低溫測試過程中。影響焊接過程的因素較多，這些因素的設(shè)置對焊接過程的穩(wěn)定性、焊接接頭的質(zhì)量都有重要影響。本研究使用模型仿真技術(shù)，尋找改善激光-電弧復(fù)合焊接的方法，并進(jìn)行測試。

1 模型建立與過程模擬分析

為了對激光-電弧復(fù)合焊的焊縫形成和演變進(jìn)行模擬，建立了兩個(gè)模型。一個(gè)模型模擬穩(wěn)態(tài)過程，另一個(gè)模擬熔池的動(dòng)態(tài)演變過程。如文獻(xiàn)[3]所述，穩(wěn)態(tài)模型是根據(jù)熔深較深的激光焊接模型建立的，該模型解決了一些相互作用的參數(shù)問題，如激光所產(chǎn)生的激光束之間的相互作用；考慮等離子體的氣體動(dòng)力學(xué)和保護(hù)氣體噴射的電弧等離子體；在工件表面激光-電弧復(fù)合放電促使熔化的金屬蒸汽和保護(hù)氣體混合；電弧電流；填充焊絲加熱、熔化；激光束在匙孔內(nèi)發(fā)生吸收和不斷的反射；在熔化金屬和固體金屬表面進(jìn)行持續(xù)的熱-質(zhì)量傳遞；匙孔內(nèi)部氣化和蒸汽流動(dòng)動(dòng)力。所有的局部模型主要分析相互關(guān)聯(lián)的物理過程。本研究著重分析激光束在匙孔內(nèi)的吸收和反射問題，通過此模擬解決了固體表面的傳遞效應(yīng)和匙孔內(nèi)部產(chǎn)生氣化問題。對電弧和等離子模型中的質(zhì)量、動(dòng)量、電流和能量方程使用邊界條件近似法[4]。模擬過程中考慮了影響匙孔產(chǎn)生的多種因素，包括激光束和電弧電流產(chǎn)生的壓縮和體積熱、金屬蒸汽混合物、電弧氣體和保護(hù)氣體，以及溫度影響，同時(shí)考慮了電弧對工件表面的影響和保護(hù)氣氣流的影響。在放電模型中，通過Raizer動(dòng)態(tài)方程的結(jié)果確定了電離速率、電導(dǎo)率的空間分布、熱擴(kuò)散率，在動(dòng)態(tài)方程中考慮了等離子體和等離子體周圍的電子傳遞因素。填充焊絲的熔化問題通過用Stephan邊界條件處理固-液界面和考慮電子力對下沉傳遞的影響來解決[5]。模擬中用理想液體的粘性邊界條件考慮上液面和匙孔液相的熔體流動(dòng)和熱傳遞。采用不同的3D模型考慮激光焊接過程中不同試塊間的間隙問題。

程序模型的總方案如圖1所示。不同模塊之間通過直接的邊界條件相聯(lián)系。一個(gè)模塊的解決作為下一個(gè)模塊的邊界條件，即作為下一個(gè)方程的一個(gè)系數(shù)。在復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)求解中使用了數(shù)值分析運(yùn)算，這一數(shù)值分析運(yùn)算同樣適用于激光CAD系統(tǒng)之中，此系統(tǒng)模擬了熔池的形狀和尺寸，焊接熔化道中的熱分布，以及復(fù)合激光-電弧焊中的熱影響區(qū)分布。

圖1 穩(wěn)態(tài)過程模型結(jié)構(gòu)

熔池動(dòng)態(tài)行為模型是在激光焊接動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上建立的。這一模型是根據(jù)拉格朗日Laegrange力學(xué)體系建立的，同時(shí)考慮了以下現(xiàn)象，如孔洞表面的波浪運(yùn)動(dòng)，不同時(shí)間下焊道的形狀和尺寸，孔洞運(yùn)動(dòng)過程中深度、半徑變化的影響。動(dòng)態(tài)方程中同時(shí)考慮了摩擦力的影響。本研究將考慮模型的幾何形態(tài)，并且通過Laegrange體系推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方程可能的簡化模型。簡化過程如H＞＞a，“H”指熔池深度，“a”指匙孔半徑，同時(shí)假定不存在傾斜的孔洞和熔道壁。根據(jù)Laplace方程的結(jié)果，將熔化物的流動(dòng)假定為潛流運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

S（z）為在靜態(tài)的坐標(biāo)系內(nèi)蒸汽孔橫截面的面積，其可以表達(dá)匙孔消減的速率，如

式中S為橫截面面積。

熔化物的流動(dòng)由沿著匙孔消減方向“z”vz的流動(dòng)和在橫截面水平方向v⊥的流動(dòng)組成。熔池的動(dòng)能由三部分組成，即E=E⊥+Ez+Eb，計(jì)算式為

式中A和a為將兩者一同映射到一個(gè)同心面上時(shí)，熔化物前沿和匙孔的橫截面的圖像半徑。由于活動(dòng)區(qū)的勢能是一種表面能，它能計(jì)算自由表面面積，表面面積乘以表面張力系數(shù)，而比表面能等于表面張力系數(shù)σ

式中H1為熔化物表面相對于工件表面的高度。

通過如下公式利用廣義坐標(biāo)系（s0，sn，H）描述廣義力值Qi

δAi是在虛擬位移δqi上的虛擬工作，QH的表示為

式中P為孔洞中的蒸汽壓；P0為外部壓力。

考慮噴氣嘴的反作用力可以得到

式中ρ0和V0分別為工作表面處的密度和噴嘴反作用速率。經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)變后Qs可表示為

Eb代表動(dòng)態(tài)熔池底部的能量。

式中λi是方程J1（λi）=0的一個(gè)根。

為了確定P（s0）和分析了非平衡熱傳導(dǎo)問題。

根據(jù)Lagrange力學(xué)體系引入了廣義粘滯力物理量。耗散函數(shù)可以根據(jù)以下公式推導(dǎo)

廣義摩擦力可以根據(jù)如下公式計(jì)算

可以根據(jù)如下的方程耗散函數(shù)解決在液相最前沿邊界層的熔化物流動(dòng)的問題。

式中L為液相前沿的長度（L=2πA）。推導(dǎo)了研究目標(biāo)的動(dòng)力、潛能和廣義作用力，廣義作用力可以根據(jù)Lagrange方程得到。

式中qi定義為H，S0，…，S1，…Sn連續(xù)的。

為了完成計(jì)算，假定體系以第2層開始，同時(shí)體系以四個(gè)簡單的二階微分方程進(jìn)行，并通過六重Runge-Kutt運(yùn)算法則得到數(shù)值解。本研究做了焊接速率從0.3～10 cm/s，焊接功率從1～20 kW的低碳鋼激光焊接驗(yàn)證計(jì)算。這個(gè)算法也在激光CAD中得到驗(yàn)證。如圖2所示，改進(jìn)的數(shù)學(xué)方程可以用來動(dòng)態(tài)分析不同焊接時(shí)刻匙孔的形貌。

材料為10#鋼，激光輻射功率4.5 kW，焊接速率12 mm/s，光束聚焦半徑0.2 mm，焦距30 cm，電弧功率2.5 kW。圖2 匙孔形成模擬

焊接初期，焊接工件表層尚未達(dá)到金屬蒸發(fā)所需的溫度，因此由金屬蒸汽所引起的反作用力比較小，熔池向下凹陷并不明顯。隨著模擬焊接時(shí)間增加，焊接件被迅速升溫，熔池內(nèi)金屬蒸發(fā)作用愈強(qiáng)烈，由金屬蒸汽所引起的反作用力也顯著增強(qiáng)，熔池明顯向下凹陷。金屬蒸汽的反作用力是熔池向下凹陷的主要驅(qū)動(dòng)力，而熔池避免存在的表面張力則是匙孔形成的主要阻力，兩者相互作用控制著匙孔的形成。當(dāng)焊接作用時(shí)間低于36 ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)力大于阻力，匙孔不斷長大；36 ms以后驅(qū)動(dòng)力和阻力趨于平衡，匙孔形貌也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)模型還可以用來對氣孔表面和釘扎現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，用以減少熔池中不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)行為發(fā)生，如圖3所示。焊縫中真實(shí)缺陷如圖4所示。

對于厚板焊接，在沒有熔透的情況下在焊縫內(nèi)部容易形成各種缺陷，如氣孔、釘尖等，由此造成焊縫熔深深度不同，引起接頭機(jī)械性能分布不均，力學(xué)性能變差。氣孔、釘尖主要形成于焊縫中部和焊縫兩側(cè)。由于金屬蒸汽反作用力突變或是匙孔壁表面張力突變，引起匙孔壁出現(xiàn)突起，突起形成后會有兩種不同的發(fā)展方向。一是突起不斷長大，完全阻斷激光束的入射，在焊縫中部形成較大的氣孔缺陷，如圖3a所示。二是突起吸收能量后破裂，使匙孔壁面重新趨于平滑，如果突起吸收能量過多，破裂時(shí)反作用力較大，會在熔池引起局部小的凹陷，形成較小的氣孔缺陷，如圖3b所示。

通過穩(wěn)態(tài)工藝模型，使用激光CAD模擬了固、液、氣相中相鄰介質(zhì)的熱傳輸，輻射傳輸和激光-電弧放電動(dòng)力學(xué)。同時(shí)也計(jì)算了熔化和熱影響區(qū)域的面積，繪制了熱循環(huán)和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，結(jié)合金屬材質(zhì)可以計(jì)算相結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)工藝模型可以估算所需要的熱源參數(shù)，還可以預(yù)測焊接后金屬結(jié)合處的相結(jié)構(gòu)，從而減少實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。圖5為AISI鋼復(fù)合焊接的模擬圖。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相圖中沿著相軌跡的有限區(qū)域濃度較高，也就說明孔洞振蕩的湍流現(xiàn)象。同時(shí)表明計(jì)算結(jié)果不取決于初始條件，熱影響區(qū)的大小和形狀取決于焊接參數(shù)。

模型表明，激光焊接過程中，復(fù)合焊接不同于廣義坐標(biāo)，它有不同的振動(dòng)頻率。最低的頻率（低于100 Hz）為典型的空穴半徑和深度振幅。增加熔深深度和填充速率導(dǎo)致光譜向低頻率轉(zhuǎn)移。第一（s1）和第二（s2）順序波有最高頻率（最高10 kHz），這些光譜也決定于振幅深度，送絲速率增加也同樣降低了低頻振幅。

圖3 氣孔缺陷形成過程

圖4 焊縫中的氣孔缺陷

3 激光-電弧復(fù)合焊安裝設(shè)計(jì)

通過模型模擬對厚重鋼零件在激光-MAG復(fù)合焊接時(shí)設(shè)備技術(shù)方面存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)。對于厚度超過12mm的鋼板，要求使用電弧單道3m/min的焊接速度焊接。使用激光CAD模擬設(shè)定參數(shù)：激光電源功率高于15kW；聚焦光束直徑為0.3～0.4mm；焊接電流不小于250 A，焊絲直徑1～2 mm。

改進(jìn)設(shè)備包括：IPG制造的LS-15光纖激光器和PC250 Riedel冷卻系統(tǒng)，電流可達(dá)到1 500 A的VDU-1500電弧電源和數(shù)控送絲設(shè)備，激光-電弧模塊（工作工具），6通道氣體數(shù)控模塊，焊縫檢測系統(tǒng)和跟蹤基本的掃描激光傳感系統(tǒng)，過程監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

激光-電弧復(fù)合焊系統(tǒng)包括控制器、激光焊接接頭、電弧焊槍、焊縫追蹤傳感器系統(tǒng)和過程監(jiān)控傳感器系統(tǒng)。焊接過程中提供保護(hù)氣體。圖6為改進(jìn)的焊接系統(tǒng)。焊接過程控制由控制器通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來完成。如激光束焦點(diǎn)的位置相對于焊接表面保持不變（“垂直移動(dòng)”），激光束焦點(diǎn)的位置相對于焊縫保持不變（“相交移動(dòng)”）。激光束焦點(diǎn)相對于焊接表面在垂直方向的偏移可以保證在±0.2 mm以內(nèi)，激光束焦點(diǎn)相對于焊縫在橫截面方向的偏移可以保證在±0.5 mm以內(nèi)。

圖5 AISI1330鋼的激光和復(fù)合焊接數(shù)學(xué)模擬結(jié)果（10 kW+4 kW）

圖6 激光-MAG復(fù)合焊接裝置

5 結(jié)果和討論

通過穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型對激光-電弧復(fù)合焊的焊縫形成和演變進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在匙孔形成過程中，由于金屬蒸汽反作用力突變或是匙孔壁表面張力突變會在壁面局部產(chǎn)生突起，在焊縫中產(chǎn)生氣孔或釘尖缺陷，這與實(shí)際焊接結(jié)果相吻合。通過模型模擬優(yōu)化了相對于激光束的電弧焊槍位置，通過使用復(fù)合納米的特殊填充焊絲，優(yōu)化了電弧氣氛的組成，改進(jìn)了焊接工藝，避免了如氣孔、熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生，使X80鋼管焊縫在溫度為-40℃時(shí)沖擊性能達(dá)到140～200 J。

[1]王明林，吳艷明，張成杰，等.10CrNi3MoV鋼激光-MAG復(fù)合熱源焊接技術(shù)研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2013（01）：1-5.

[2]陶傳琦，吳向陽，王秋影，等.SMA490BW耐候鋼激光-MAG復(fù)合焊與MAG焊對比研究[J].電焊機(jī)，2014，44（12）:35-39.

[3]吳冰，鞏水利，龐盛永，等.激光深熔焊運(yùn)動(dòng)熔池瞬態(tài)形成過程數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2010（10）：25-28.

[4]汪任憑，雷永平，史耀武.激光深熔焊中匙孔形成過程的動(dòng)態(tài)模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2010（11）：46-50.

[5]汪任憑，雷永平，,史耀武.激光深熔焊接過程傳輸現(xiàn)象的數(shù)值模擬[J].稀有金屬材料與工程，2011（S2）：76-79.

Simulation analysis of steady and dynamic states of laser-arc hybrid welding molten pool for thick wall steel tube based on computer

LI Donghui，SUN Junju
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

In the process of hybrid laser-arc welding of pipes and shipbuilding sections，the simulation of steady and dynamic states of molten pool behavior are observed.The appropriate welding mode is determined by a quasi-stationary process-model.The keyhole depth and width oscillations are researched by the dynamical model of laser welding.The pipe steel and stainless steel are welded in wide range of welding parameters of hybrid laser-MAG welding with 15 kW fiber laser.The experimental result and simulated result of penetration depth and vibrational frequency are compared to analyze the self-vibration performance of molten pool.

hybrid welding；molten pool；computer simulation

TG456.9

A

1001-2303（2015）08-0054-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.12

2015-04-08；

2015-05-06

李東輝（1966—），男，河南安陽人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的工作。