電磁熔池自動(dòng)控制激光束焊接工藝及仿真

王升花

（承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000）

電磁熔池自動(dòng)控制激光束焊接工藝及仿真

王升花

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德067000）

研究外部施加的磁場(chǎng)對(duì)激光束焊接質(zhì)量的影響，利用計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。焊接測(cè)試使用功率高達(dá)20 kW的激光束，試驗(yàn)證明功率為15 kW的交流磁鐵可以在20 mm厚鋁的全穿透焊過程中阻止重力下降。對(duì)于部分穿透焊接，一個(gè)0.5 T的直流磁場(chǎng)足夠用于抑制熔池中的對(duì)流流動(dòng)。部分穿透焊接測(cè)試使用功率為4 kW的電子束，測(cè)試結(jié)果顯示，相比于參考值，應(yīng)用交流磁場(chǎng)可以減少10倍的焊接氣孔，提高了焊接表面粗糙度。

激光束焊接；電磁熔池支持；哈特曼效應(yīng)；電磁整流

0　前言

鎖孔型激光焊接的優(yōu)點(diǎn)是高焊速和低熱輸入，特別是在PA位置激光束全穿透鎖孔焊接時(shí)表現(xiàn)為高焊接質(zhì)量。激光束形成一個(gè)與側(cè)壁幾乎平行的狹窄熔池，在熔池凝固時(shí)，沿孔眼軸縱向和橫向收縮應(yīng)力的變化比其他焊接技術(shù)低得多，因此工件的彎曲變形比較小。此外，由于靠近其底部前端的鎖孔不穩(wěn)定，全穿透焊接能夠抑制所謂過程孔隙的發(fā)展。然而，對(duì)于厚金屬件的全穿透焊接，其表面張力不能完全補(bǔ)償熔體中的靜水壓力，這可能會(huì)導(dǎo)致焊縫根側(cè)下垂，甚至當(dāng)工件厚度超過閾值時(shí)熔體會(huì)完全落出。

交流磁場(chǎng)和直流磁場(chǎng)都能有效地用于控制工業(yè)過程中多數(shù)熔融金屬，如晶體生長(zhǎng)和金屬鑄造。電磁（EM）處理可以廣泛適用于穩(wěn)定固化材料的表面，加速（電磁攪拌）或減速（哈特曼效應(yīng)）金屬流動(dòng)中的對(duì)流，提高氧化物微粒和氣泡的熔化（電磁整流），如發(fā)布于2012年的EPM處理（材料電磁處理）。

本研究建立在商用有限元求解器COMSOL Multiphysics4.2軟件基礎(chǔ)之上，以分析熔池中流體流動(dòng)和凝固現(xiàn)象的磁流體的相互作用，通過模擬獲得最優(yōu)化工藝參數(shù)，包括磁場(chǎng)的幅度和頻率。

1　電熔池焊接工藝的模型建立和模擬過程

焊接過程中流體流動(dòng)和所施加磁場(chǎng)之間的相互作用叫做洛倫茲力，即

式中J為電流密度；B為磁通密度。

當(dāng)所施加的磁場(chǎng)具備振蕩性時(shí)，電渦流產(chǎn)生于工件趨膚深度的內(nèi)部，這依賴于所施加磁場(chǎng)的振蕩頻率，主要是根據(jù)經(jīng)典的趨膚效應(yīng)理論得到的

式中μ0為真空中的導(dǎo)磁率；σ為電導(dǎo)率；f為頻率。

由于電導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)中的橫向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步形成電流密度

這種效應(yīng)引起的洛倫茲力是針對(duì)熔體流速的，可當(dāng)成一種制動(dòng)力。該力也存在于不變磁場(chǎng)的應(yīng)用當(dāng)中，被稱為哈特曼效應(yīng)，電磁減速的強(qiáng)度可以用哈特曼符號(hào)表示為

式中L為半焊道寬度；η為動(dòng)態(tài)粘度。兩種效應(yīng)的示意如圖1所示。

圖1　感應(yīng)焊接熔池支持模式（左）和哈特曼效應(yīng)（右）在高功率激光束焊接中的構(gòu)架

平均洛倫茲力是

式中B為所施加磁場(chǎng)對(duì)熔池表面的均方根值。

振蕩磁場(chǎng)可有效地從熔體中除去氣泡和其他非導(dǎo)電雜物（如電磁整流等），因?yàn)榇嬖谟谌垠w中的所有非導(dǎo)電雜物（如氣泡或粒子）都會(huì)干擾電流密度的理想輪廓。其結(jié)果是這些雜物被強(qiáng)制沿電磁力FL的相反方向移動(dòng)?；贚enov-Kolin理論，作用在小夾雜物（小于δ）上的全部電磁阿基米德力FA可以按如下公式進(jìn)行計(jì)算，此處球形氣泡的Lenov-Kolin因素為GLK=0.75。

另一個(gè)電磁技術(shù)是實(shí)現(xiàn)熔池表面的穩(wěn)定化（卡尼爾-莫羅效應(yīng)），這個(gè)效應(yīng)可以通過電磁在表面張力中的作用來解釋，即

電磁力FGM對(duì)有效表面張力的作用如圖2所示。

圖2　電磁FGM外形對(duì)有效表面張力的作用

熔池中密集電磁攪拌的能量來自傳導(dǎo)熱，主要由磁極和焊接部分的電導(dǎo)率σ以及邊緣的凹凸性決定，這兩種效應(yīng)都可以加大熔池中的不良電磁攪拌。

2　振蕩磁場(chǎng)中熔池的數(shù)值模擬及實(shí)例分析

2.1振蕩磁場(chǎng)中熔池的數(shù)值模擬

高功率激光系統(tǒng)可對(duì)厚度較大的部件實(shí)現(xiàn)全穿透焊接，如壓力容器或電站的組件，在熔體中的靜水壓力可超過表面張力帶來的壓力，并導(dǎo)致流體下沉甚至完全落出熔體，如圖3所示。為了顯示工作在所有焊接位置振蕩磁場(chǎng)的非接觸式焊接熔池支持系統(tǒng)的可能性，實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)約141 mT的磁通密度、3.18 kHz的振蕩頻率來補(bǔ)償12 mm厚AISI 304的熔柱。

圖3　30mm厚的AIMg3帶有磁性熔池和不帶有磁性熔池的全穿透焊接

解決方程組包括流體動(dòng)力學(xué)Navier-Stokes方程，把溫度分布與麥克斯韋方程的能量方程考慮到過程變量產(chǎn)生的洛倫茲力的影響中去，模擬計(jì)算焊接過程中的主要物理因素，即表面上的馬蘭哥尼對(duì)流、重力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流以及局部熔化和凝固過程中的熔化潛熱。模擬過程中固定鎖孔的幾何形狀和工件表面，模擬熔池支撐，分析上表面和下表面之間的壓力差，以評(píng)估靜水壓力的補(bǔ)償度。

數(shù)值研究的結(jié)構(gòu)如圖4所示，磁場(chǎng)垂直于焊接方向，所產(chǎn)生的洛倫茲力主要是在垂直方向上，違背了振蕩周期階段的重力。

圖4　電磁熔池支持系統(tǒng)的仿真裝置

2.2實(shí)例分析——鋁的模擬

圖5中顯示了20 mm厚的鋁在不施加磁場(chǎng)情況下全穿透焊接的模擬結(jié)果和三個(gè)不同的磁通密度，焊接速度為0.5 m/min，案例中的靜水壓力在熔池呈直線增加趨勢(shì)。施加磁場(chǎng)的目的是為了降低表面之間的壓力差，使其達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，在約70 mT的磁通密度和450 Hz的振蕩頻率中幾乎沒有重力下降或熔體下垂的情況發(fā)生。根據(jù)洛倫茲力分布，熔池中的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)僅會(huì)對(duì)所施加磁場(chǎng)的下部產(chǎn)生影響，如圖6所示。由于表面張力的溫度變化，會(huì)有馬蘭戈尼渦流發(fā)生在接近表面的位置。在熔池的下部，電磁力引起的第二渦流與馬蘭戈尼渦流形成對(duì)抗，根據(jù)磁體磁極的指向與熔化區(qū)的長(zhǎng)度，會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力梯度，因此，焊接熔池會(huì)被所施加的力壓縮，在熔池上部保持不變的流動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)獲得了AlMg3熔池的宏觀斷口（見圖5），并與模擬過程顯示出相同趨勢(shì)，即避免了下垂，焊縫的幾何形狀為Y形。

圖5　左：焊接熔池中不同磁通量密度在垂直方向上的靜態(tài)壓力分布（焊接速度0.5 m/min，振蕩頻率450 Hz）；右：用光纖激光器獲得的試驗(yàn)結(jié)果（激光功率15 kW，焦點(diǎn)位置為-2 mm，焦斑直徑560 μm，頻率459 Hz）

2.3恒定磁場(chǎng)中熔池減速的數(shù)值模擬

另一個(gè)磁流體效應(yīng)叫哈特曼效應(yīng)，用來控制熔池中的不利動(dòng)力學(xué)，尤其是焊接很厚的且容易發(fā)生嚴(yán)重濺射的元件。焊接實(shí)驗(yàn)是采用CO2激光器完成的，熔池表面十分平滑，根據(jù)所施加磁場(chǎng)的極性，駝峰現(xiàn)象得到了抑制，然而哈特曼數(shù)大約只有100。使用盤形激光器研究厚約21 mm的鋁鎖孔穿透焊接，以最大化熔池的磁通密度將永久磁鐵安裝在工件兩側(cè)，如圖7所示。數(shù)字模型中使用標(biāo)準(zhǔn)的兩方程K-e湍流模型，并以速度流線為基準(zhǔn)，在施加0.5 T磁場(chǎng)的情況下（見圖8），主要流動(dòng)特性是引起液體金屬?gòu)逆i孔的熱區(qū)域流動(dòng)到邊界區(qū)域。施加磁場(chǎng)時(shí)，由于哈特曼效應(yīng)的抑制作用，熔池中的流動(dòng)速度顯著減小，如圖9所示。在熔池的深處，由于馬蘭戈尼效應(yīng)，流體將反向流動(dòng)，隨著磁通密度增大，流體被限制在一個(gè)更薄的邊界區(qū)域。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大約需要104 Ha來消除所施加磁場(chǎng)力產(chǎn)生的影響，此外，在仿真和實(shí)驗(yàn)中，由于流體動(dòng)力學(xué)的抑制，形成了常規(guī)的V形焊道（見圖10）。

圖6　在參考情況下和最佳補(bǔ)償情況下的速度流線

圖7　電磁熔池控制系統(tǒng)的仿真裝置

圖8　焊接速度0.5 m/min時(shí)，熔池電磁控制和熔池?zé)o電磁控制狀態(tài)下的速度流線

圖9　工件表面下方2 mm處對(duì)稱平面沿焊接方向的流速

3　熔池電磁控制的部分穿透激光焊接

部分穿透激光焊接的第一個(gè)問題是鎖孔尖的不穩(wěn)定性，氣泡主要來自靠近其尖端的鎖孔；第二個(gè)問題是在熔池上部非常密集的熱毛細(xì)對(duì)流。表面張力不能完全抑制熔池表面的振動(dòng)，同時(shí)，再凝固的焊縫表面非常粗糙并呈現(xiàn)出較大的切口。交流磁場(chǎng)被用來抑制氣孔的形成和穩(wěn)定在平面位置上10mm厚的AlMg3板穿透激光堆焊的熔池表面。

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

焊接實(shí)驗(yàn)均采用功率4kW的激光，交流磁鐵直接安裝在激光焊接光學(xué)的焊頭處，外部施加的交流磁場(chǎng)被垂直地導(dǎo)向到焊接方向。為了防止光反饋，激光束的入射角與垂直方向成18°，如圖11所示。磁鐵芯由0.05mm厚的Fe-Si系疊片組成，兩個(gè)磁體磁極的截面為20mm×20mm，磁極之間的間隙為20mm，交流磁鐵與樣品之間的距離為2 mm，保護(hù)氣體（氬氣流速20 L/min）供應(yīng)到焊接熔池的前側(cè)。激光源的主要參數(shù)如表1所示。

圖10　AlMg3的焊接試驗(yàn)結(jié)果，焊接速度0.5 m/min，焊縫由盤型激光器制成（功率16 kW，焦點(diǎn)位置為-4 mm，焦斑直徑300 μm，磁通密度0.5 T）

1—初級(jí)線圈；2—兩個(gè)次級(jí)線圈；3—鐵磁芯；4—磁極；5—裝配元件；6—保護(hù)氣體噴嘴；7—激光焊噴頭；8—樣本；9—焊臺(tái)；10—焊接方向圖11　試驗(yàn)裝置

表1　激光參數(shù)

3.2結(jié)果與討論

不施加和施加振蕩磁場(chǎng)的焊接試驗(yàn)如圖12所示。

圖12　X射線的側(cè)面圖像和交流電源不同參數(shù)下焊縫的截面積

設(shè)定在表面z=0處的焦點(diǎn)位置的基準(zhǔn)焊縫處密集孔隙度的形成過程。然而，這種類型的孔是準(zhǔn)球形的，并且它們存在于熔池的中心，可以預(yù)測(cè)，磁場(chǎng)能夠防止這種類型孔的形成，前提是磁場(chǎng)的振幅必須足夠大，并且趨膚深度大約等于穿透深度（約6mm）。

圖13的B～D顯示出的是電磁熔池控制下X射線的側(cè)視圖和焊縫的橫截面。通過分析橫截面與X射線圖像得出，焊縫孔隙率的急劇減少（大于90％），能夠?yàn)楂@得最佳振蕩頻率創(chuàng)造有利條件。根據(jù)表面成形來調(diào)查整磁場(chǎng)應(yīng)力，橫截面參照?qǐng)D12，測(cè)量表面輪廓參照?qǐng)D14，交流磁場(chǎng)的應(yīng)用導(dǎo)致焊接表面粗糙度顯著減少50％。

圖13　焊縫表面上測(cè)量深度的直方圖，只有負(fù)值被認(rèn)為是底切

圖14　參考情況下（左）和圖13　情況下（右）焊縫表面的變化

4　電磁熔池控制的焊絲激光焊接

通過一系列的焊接試驗(yàn)證明電磁熔池控制也可以應(yīng)用于工業(yè)激光焊接，如復(fù)雜非平面部位的對(duì)接接頭焊接。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖15所示，模擬一個(gè)具有高品質(zhì)防漏要求的蓋與容器開口結(jié)合的焊接過程。兩種焊接件均采用AlMgSi0.5合金，考慮到熱裂情況，使用填充材料（AlMg4.5Mn，φ1.2 mm的電線）。

圖15　容器壁蓋子的部分穿透焊接的電磁熔池控制方案

所有的焊接試驗(yàn)均在水平位置進(jìn)行，試驗(yàn)使用激光功率4 kW的摻鐿光纖激光器YLR-20000，激光束與垂直方向的傾斜角為18°。光束傳輸纖維的直徑為0.2 mm，光束在焦平面的對(duì)應(yīng)直徑為560 μm，焦距350 mm，焦點(diǎn)位置為z=-3 mm（下表面）。保護(hù)氣體噴嘴放置在激光束。所有焊接試驗(yàn)的焊接速度和焊絲傳送速度為分別取1.7m/min和2.2 m/min，磁鐵磁極之間的間隙為22.5 mm，磁鐵與工件之間的間隙為2 mm，激光束的焦點(diǎn)位置和焊絲的接觸點(diǎn)都位于磁極之間的中心區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)全穿透焊接，交流電磁體可放置在試樣根部附近，焊絲噴嘴可以安裝在焊頭的前側(cè)，如果深度比工件的寬度小，交流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)焊絲產(chǎn)生影響。但是，在容器關(guān)閉過程中，對(duì)工件的內(nèi)部空間沒有訪問權(quán)限，因此，只有部分穿透激光焊接過程是可能的。交流磁鐵和焊絲噴嘴都必須位于容器壁的外側(cè)，焊絲噴嘴是由非導(dǎo)電材料（聚四氟乙烯）制成，焊絲系統(tǒng)用電與工件用電是隔離開的，以防止渦電流的勵(lì)磁。

在圖15中，B是磁通量密度的均方根值，用霍爾傳感器在右磁極中心附近測(cè)量；f為交流頻率；δ為趨膚深度。由式（2）計(jì)算出鋁合金在室溫下的電導(dǎo)率σ≈30×106Si/m。熔體的導(dǎo)電率要比鋁合金低得多，熔池中的有效趨膚深度比表2所示的值大3倍。

表2　電磁熔池控制的三個(gè)焊接試驗(yàn)的參數(shù)

X射線側(cè)面圖像如圖16所示，以及有電磁熔池控制和沒有電磁熔池控制下的三個(gè)焊接測(cè)試段的不同圖像。表2的最后兩列顯示了焊縫的寬度和深度，電磁控制的焊縫比參考值大，穿透深度卻更小，這可以通過在熔體中的強(qiáng)烈攪拌進(jìn)行說明，由于非對(duì)稱的工件設(shè)置造成熔池中不均勻的洛侖茲力分布。這樣的效果除了去除孔隙，還有個(gè)特別的用處：當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)具有非常深的焊道及填充材料時(shí)，可用于稀釋焊接材料。

5　結(jié)論

研究表明，振蕩磁場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)對(duì)鋁合金高功率激光束焊接工藝的穩(wěn)定性有顯著的正效應(yīng)。適用于焊接中不同的電磁應(yīng)用，如電磁熔池支持、流速的電磁制動(dòng)、電磁整流和電磁焊接表面的改善。

磁通密度、振蕩磁場(chǎng)下的頻率和趨膚深度是決定電磁技術(shù)在焊接中能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)值。此外對(duì)于工件，所施加的磁場(chǎng)方向與在焊道中磁流體效應(yīng)的性能是相關(guān)的。

圖16　三個(gè)焊縫的X射線側(cè)面圖像

電磁技術(shù)在避免熔體下垂、減少飛濺、降低表面粗糙度以及孔隙含量等方面有明顯提高，因此，通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明電磁技術(shù)是一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぞ?，可以成功的?yīng)用于各種焊接中。

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Simulation of laser beam welding technology with automatic control of electromagnetic molten pool

WANG Shenghua
（Chengde PetroleumCollege，Chengde 067000，China）

The effect of external applied magnetic field on the welding quality of laser beam is studied and the technological parameters are optimized by computer simulation results in this paper.The laser beam with the power of 20 kW is used in the welding test,and the results show that the AC magnet with the power of 15 kW can prevent the gravity from dropping in the full penetration welding process of 20 mm thick aluminum.For partial penetration welding，a 0.5 T DC magnetic field is enough for the inhibition of convective flow in the molten pool.The electron beam with the power of 4 kW is used in the partial penetration welding test，and the results show that comparing with the reference value，the application of AC magnetic field can reduce 10 times welding holes，and improve about 50％of the welding surface roughness.

laser beam welding；electromagnetic molten pool support；hartmann effect；electromagnetic rectification

TG456.7

A

1001－2303（2015）11－0014-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.04

2014-11-03；

2015-01-12

河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（SZ090204）

王升花（1979—），女，陜西長(zhǎng)安人，講師，碩士，主要從事電氣及自動(dòng)化技術(shù)的教學(xué)與研究工作。