鋁合金薄板電子束穿透焊熔池的數(shù)值模擬

房玉超， 楊子酉， 丁 睿， 何景山

(先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))， 哈爾濱 150001)

鋁合金薄板電子束穿透焊熔池的數(shù)值模擬

房玉超， 楊子酉， 丁 睿， 何景山

(先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))， 哈爾濱 150001)

為有效地控制電子束焊接后的焊縫成形，得到符合要求的焊接結(jié)構(gòu)，本文基于電子束焊接熔池物理過(guò)程的分析，使用有限體積法(FVM)數(shù)值模擬軟件Fluent，對(duì)2mm厚的2219鋁合金電子束穿透焊的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了電子束穿透焊時(shí)熔池的流動(dòng)行為及規(guī)律. 模擬結(jié)果表明，電子束焊接形成穿透型匙孔時(shí)，熔池中液態(tài)金屬的流速大小和方向迅速發(fā)生改變，最大流速可以達(dá)到10 m/s；產(chǎn)生的金屬蒸汽反沖壓力會(huì)使熔池劇烈震蕩，熔池中遠(yuǎn)離匙孔的液態(tài)金屬在Marangoni對(duì)流的驅(qū)動(dòng)下，使熔池上、下兩部分形成了較中間部分更長(zhǎng)、更不穩(wěn)定的拖尾，同時(shí)促進(jìn)了熔池寬度的增加；熔池寬度和熔池拖尾長(zhǎng)度分別在35 ms、90 ms左右達(dá)到了穩(wěn)定. 模擬焊接熔池凝固后，正面焊縫有一定的余高，背面焊縫有一定的收縮，其表面焊縫形態(tài)與實(shí)際焊縫形態(tài)吻合良好. 此外，通過(guò)對(duì)熔池中液態(tài)金屬的流速分析，還可以得出結(jié)論：金屬蒸汽反沖壓力對(duì)熔池的驅(qū)動(dòng)作用遠(yuǎn)大于重力和表面張力的影響.

電子束焊接；2219鋁合金；數(shù)值模擬；穿透焊；流場(chǎng)

電子束焊接發(fā)展至今已有近70年的歷史，由于其具有能量密度高、焊后變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、交通運(yùn)輸及國(guó)防等高新技術(shù)制造領(lǐng)域[1-2]. 對(duì)于焊接過(guò)程，焊縫成形質(zhì)量是焊后殘余應(yīng)力、變形的影響因素之一，所以，焊后成形的檢測(cè)與分析十分重要，而焊接熔池的流動(dòng)過(guò)程對(duì)焊縫成形起著至關(guān)重要的作用. 但是，現(xiàn)在焊接領(lǐng)域還沒(méi)有提出一個(gè)完善的焊縫成形評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

近年來(lái)，很多研究者利用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究熔池流動(dòng)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律. 羅怡等[3]建立三維瞬態(tài)模型研究了電子束焊接鎂合金時(shí)的溫度場(chǎng)，證明利用熱效應(yīng)計(jì)算焊接形貌特征的合理性；霍宏偉[4]建立了移動(dòng)熱源作用下三維瞬態(tài)熔池模型, 比較在不同焊接條件下，熔池的形態(tài)變化. S.J.Na等[5-6]對(duì)高能束焊接過(guò)程中匙孔與熔池間的熱力耦合過(guò)程進(jìn)行了模擬與分析；武傳松等[7]對(duì)不同焊接方法進(jìn)行模擬研究，分析熔池流動(dòng)的力學(xué)行為. 盡管有許多學(xué)者對(duì)于中厚板深熔焊進(jìn)行了研究，但由于節(jié)能環(huán)保的迫切需要，鋁合金應(yīng)用于航空航天、汽車及軍工領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)趨向于輕量化，所以，鋁合金薄板焊接的研究受到廣泛關(guān)注.

鋁合金薄板電子束焊后成形可控性差、質(zhì)量低，本文基于Fluent利用VOF算法建立三維瞬態(tài)EBW模型，對(duì)2 mm厚的2219鋁合金板的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了熔池的流動(dòng)行為. 本研究對(duì)鋁合金薄板電子束焊接焊后成形控制具有重要意義.

1 EBW有限元模型的建立

1.1熔池分析和基本假設(shè)

圖1為電子束焊接傳熱方式及受力過(guò)程的示意圖. 對(duì)于熔池而言，金屬受高速電子束沖擊而受熱熔化，熔池表面金屬迅速蒸發(fā)，造成熱量損失；液態(tài)金屬快速流動(dòng)，對(duì)熔池邊界形成“沖刷作用”，以對(duì)流的方式進(jìn)行導(dǎo)熱；由于熔池溫度較高，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生輻射散熱. 對(duì)于未熔化的金屬而言，主要以輻射方式進(jìn)行散熱，因?yàn)殡娮邮附釉谡婵障逻M(jìn)行，所以不考慮工件表面對(duì)流換熱.

電子束焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生匙孔效應(yīng)，在匙孔壁面法線方向上，液態(tài)金屬主要受反沖壓力、液態(tài)金屬靜壓力以及彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力作用；在匙孔壁面切線方向上，液態(tài)金屬主要受表面張力所產(chǎn)生的切向力以及金屬蒸汽與匙孔壁面摩擦產(chǎn)生的剪切力作用.

圖1 電子束焊接示意

在電子束焊接過(guò)程中，各個(gè)物理過(guò)程十分劇烈，全部考慮不太現(xiàn)實(shí)，在模擬過(guò)程中需要將某些對(duì)實(shí)際焊接影響不大的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，所以，作了如下假設(shè)：1)試件初始溫度為300K；2)忽略金屬蒸汽摩擦力對(duì)焊接熔池的影響[8]；3)材料各向同性，除密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)是溫度的函數(shù)外，其余熱物性參數(shù)都是常數(shù)；4)焊接熔池內(nèi)部流動(dòng)形式為層流.

1.2控制方程與物理模型

在計(jì)算流體力學(xué)中，焊接熔池要滿足流體流動(dòng)三大方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程. 在動(dòng)量守恒方程中以表面張力、熱浮力、重力、金屬蒸汽反沖壓力作為源項(xiàng)，在能量守恒方程中以電子束熱源、熔化焓、汽化焓作為源項(xiàng).

利用VOF算法追蹤焊接熔池自由表面，引入流體體積分?jǐn)?shù)函數(shù)F，F(xiàn)滿足方程

(1)

式中：Vf為網(wǎng)格流體體積分?jǐn)?shù)；A為表面網(wǎng)格流體面積分?jǐn)?shù)，A=(Ax，Ay，Az)；U為網(wǎng)格流體速度.

金屬蒸汽反沖壓力采用Semak V提出的反沖壓力模型[9]，電子束焊接熱源采用旋轉(zhuǎn)高斯體熱源[10]，它們分別為：

(2)

(3)

式中：Pr為反沖壓力，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，ΔHv為汽化潛熱，Tv為材料汽化溫度，R為理想氣體常數(shù)；qr為電子束功率密度；Q為電子束功率，H為熱源深度，cs為熱源形狀系數(shù)，(x2+y2)為熔池中任意點(diǎn)距離電子束中心的徑向距離.

在反沖壓力作用下，匙孔壁面發(fā)生彎曲，彎曲液面所產(chǎn)生的附加壓力ΔP為[11]

(4)

式中：σT為溫度T時(shí)的表面張力，R1、R2分別為曲面的兩個(gè)主曲率半徑.

非等溫流動(dòng)現(xiàn)象引起的熱浮力Fb為

Fb=(ρT-ρ0)g.

(5)

式中ρ0和ρT分別為熔點(diǎn)和溫度T時(shí)液態(tài)金屬的密度.

1.3網(wǎng)格劃分與材料屬性

本文采用2 mm厚的2219鋁合金進(jìn)行電子束焊接，其熱物性參數(shù)通過(guò)文獻(xiàn)[12]查得，如表1所示.

表1 2219鋁合金熱物性參數(shù)[12]

電子束加速電壓為60 KV，電子束流10 mA，焊接速度10 mm/s. 模型尺寸為13 mm×4 mm×3 mm，金屬板位于計(jì)算區(qū)域中心，在金屬板上下各設(shè)置0.5 mm的自由液面變化區(qū)域. 利用ICEM對(duì)模型劃分網(wǎng)格，在近焊縫區(qū)采用加密網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用疏松網(wǎng)格. 最小網(wǎng)格尺寸為0.083 mm，網(wǎng)格總數(shù)為162 864，節(jié)點(diǎn)總數(shù)174 270，計(jì)算區(qū)域外圍采用outflow邊界條件. 計(jì)算域初始溫度300 K，環(huán)境壓力為0.

2 結(jié)果分析與討論

2.1溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的數(shù)值模擬

圖2為電子束焊接深穿過(guò)程縱截面的溫度和流場(chǎng)分布，其中S和R分別代表表面張力和反沖壓力所引起的流動(dòng). 從圖中可看出，電子束穿透焊初始階段與未穿透類似，如圖2(a)、(b)，在匙孔深穿過(guò)程中，熔池表面金屬蒸汽反沖壓力大于表面張力，開始形成匙孔，隨著匙孔壁面溫度的升高，反沖壓力增大，表面張力減小，匙孔尺寸繼續(xù)增大，熔池內(nèi)部液態(tài)金屬受重力和匙孔壁面反沖壓力作用向R1、R2方向流動(dòng)；而匙孔壁面溫度較高，上方熔池表面溫度較低，在負(fù)的表面張力梯度作用下，匙孔表面液態(tài)金屬產(chǎn)生S1和S2方向的流動(dòng).

如圖2(c)所示，在21.94 ms時(shí)匙孔深度達(dá)到板厚的3/4，由于匙孔表面溫度梯度大，表面張力和反沖壓力大小分布不均勻，匙孔表面十分不穩(wěn)定. 對(duì)于熔池上部，尾部液態(tài)的金屬對(duì)匙孔附近的過(guò)熱金屬有“拖拽”作用，形成S1和S2方向的流動(dòng)，這也是熔池長(zhǎng)度增加的主要原因，液態(tài)金屬向熔池后方流動(dòng)過(guò)程中受到固液界面的阻礙而回流，形成S3方向的流動(dòng)，一部分匯入S2再次回流至熔池表面，一部分流向匙孔，這樣就不斷地把匙孔壁面附近的過(guò)熱金屬的能量傳遞給上表面熔池的左后方，使上部分熔池被拉長(zhǎng). 匙孔下方過(guò)熱金屬在反沖壓力R1、R2的作用下向熔池尾部流動(dòng)，受到固液界面的阻礙而向S4方向流，S3與S4在熔池中部匯合共同流向匙孔，同樣，過(guò)熱金屬的能量被傳遞給下表面熔池的左后方，使下部分熔池被拉長(zhǎng). 在28.04 ms時(shí)，金屬板第一次被穿透，匙孔深度達(dá)到最大. 如圖2(e)、(f)，熔池被焊穿后，直到熔池達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熔池內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律與28.04 ms時(shí)類似，只是熔池上、下表面長(zhǎng)度發(fā)生了改變，不再贅述. 熔池長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化見圖3. 當(dāng)t=90 ms時(shí)，熔池長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定，此時(shí)，焊接過(guò)程進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后的平均尺寸分別為4.842 mm和3.787 mm.

圖2 熔池縱截面溫度場(chǎng)與流場(chǎng)隨時(shí)間的變化

圖3 熔池長(zhǎng)度隨焊接時(shí)間的變化

在28.04 ms時(shí)選取熔池中4個(gè)典型位置進(jìn)行分析，圖4是它們?cè)?～30 ms范圍內(nèi)流速隨時(shí)間的變化.

(a) x方向分速度

(b) z方向分速度

Fig.4 Calculated velocity evolution curves of pointA、B、C、D(dimension ofx-andz-axes)

從這些點(diǎn)在x方向的流速變化曲線中可以看出，當(dāng)焊接熱源分別經(jīng)過(guò)點(diǎn)A、B、C、D時(shí)(分別對(duì)應(yīng)10 ms、23 ms、23 ms和15 ms)，流速達(dá)到最大值，并且速度方向發(fā)生明顯改變. 其中，速度最大可以達(dá)到4 m/s，這是由于匙孔壁面溫度梯度大，產(chǎn)生較強(qiáng)的Marangoni對(duì)流和反沖壓力造成的，這說(shuō)明電子束深穿焊接時(shí)，匙孔的形成不僅可以改變流速的大小，還可以改變流動(dòng)的方向. 因?yàn)辄c(diǎn)A、B位于金屬板上半部分，熱源經(jīng)過(guò)它們時(shí)可以使A、B兩點(diǎn)位于匙孔壁面，這兩處流體受作用效果相反的表面張力和反沖壓力驅(qū)動(dòng)，所以A、B兩點(diǎn)流速變化范圍大；而熱源經(jīng)過(guò)點(diǎn)C、D時(shí)，匙孔深度沒(méi)有達(dá)到C、D位置，這兩處流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力是表面張力，所以C、D兩點(diǎn)流速變化范圍小. 把A、B與C、D對(duì)比來(lái)看，A、B在-x方向產(chǎn)生的速度分量比C、D的大，液態(tài)金屬在熔池中的“沖刷”作用更明顯，所以上方熔池的拖尾比下方更長(zhǎng).

從圖4中點(diǎn)A、B、C、D在z方向的流速變化曲線中可看出，當(dāng)A、B處于匙孔壁面上時(shí)，z方向速度大小迅速增大，速度方向周期性改變，使焊接熔池小范圍內(nèi)上下震蕩，其中，最大流速可達(dá)到10 m/s；當(dāng)A、B、C、D處于熔池內(nèi)部、z方向上僅受重力和表面張力所引起的Marangoni對(duì)流作用時(shí)，縱向上的流速很小，上下波動(dòng)十分平穩(wěn)，這說(shuō)明在電子束焊接熔池中，反沖壓力的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力和表面張力的影響. 這個(gè)結(jié)果也與文獻(xiàn)[13]中得出的結(jié)論一致.

30 ms之后，點(diǎn)A、B、C、D與匙孔的間距越來(lái)越大，溫度逐漸降低，趨向凝固，流速趨近于0，所以在圖4中不再呈現(xiàn).

圖5是從圖1中提取的匙孔橫截面演變曲線，它可以更好地表現(xiàn)出匙孔形狀與尺寸的變化. 在匙孔形成的初級(jí)階段，由于熔池邊緣處溫度剛剛超過(guò)熔點(diǎn)，液態(tài)金屬粘度較大，對(duì)匙孔內(nèi)排出的過(guò)熱金屬起到阻礙作用，因此過(guò)熱金屬在熔池上方形成一定的堆積高度. 可以發(fā)現(xiàn)，隨著匙孔深度的增加，金屬堆積的高度有所減小，這是由于焊接開始時(shí)，匙孔中的液態(tài)金屬被排出到焊接起始點(diǎn)后端，對(duì)于整條焊縫而言，相當(dāng)于“損失”了一部分金屬，因此堆積量高度有所減??；隨著焊接的進(jìn)行，雖然匙孔深度的增加，排出的液態(tài)金屬更多，但熔池表面積也迅速增大，排出的液態(tài)金屬迅速在表面張力的作用下鋪滿整個(gè)熔池，凝固后形成焊縫余高，因此熔池上方的液態(tài)金屬堆積高度繼續(xù)降低；在焊接熔池達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)前，熔池表面積不斷增大，熔池表面的溫度梯度也迅速增加，所以在熔池表面產(chǎn)生了更為強(qiáng)烈的Marangoni對(duì)流，上、下表面液態(tài)金屬迅速由熔池中心流向熔池邊緣，因此匙孔上、下開口半徑不斷增大，這也是焊接過(guò)程中熔寬的形成機(jī)理.

圖6是熔池寬度隨焊接時(shí)間的變化，可以看出：t=5.46 ms時(shí)，金屬板背面開始被熔透，t=35 ms時(shí)，上、下表面熔池寬度達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的平均熔池寬度分別為3.219 mm、2.451 mm，熔池寬度相對(duì)于熔池長(zhǎng)度更早地進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)狀態(tài).

圖5 匙孔壁面形y狀隨時(shí)間的變化

圖6 熔池寬度隨時(shí)間的變化

2.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將模擬的熔池邊界與焊縫的橫截面形貌進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示. 可以看出，模擬的焊縫熔化線形狀與實(shí)際焊縫熔化線形狀和尺寸接近，因此可以驗(yàn)證本文采用熱源模型的合理性.

圖7 模擬與實(shí)驗(yàn)橫截面形貌對(duì)比

Fig.7 Comparison between simulated and experimental weld pool shapes

在圖8中，截取模擬時(shí)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的焊縫，將其與實(shí)際焊縫熔寬作對(duì)比；利用超景深光學(xué)金相顯微鏡提取實(shí)際焊縫表面的輪廓線，將其與模擬焊縫表面輪廓線作對(duì)比，其中A-A、B-B截面對(duì)比結(jié)果見圖8曲線. 可見，焊縫余高和下表面收縮輪廓線吻合較好，具體尺寸差異及相對(duì)誤差如表2所示.

圖8 模擬的焊縫形貌y與實(shí)際焊縫形貌對(duì)比

Fig.8 Comparison of simulated weld shape with actual weld joint morphology

表2 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2可知，熔寬、余高和下表面收縮的誤差都在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，由此證明，本文對(duì)鋁合金薄板穿透焊的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的模擬是合理、正確的.

3 結(jié) 論

1)對(duì)2 mm厚2219鋁合金進(jìn)行電子束穿透焊時(shí)，在Marangoni強(qiáng)對(duì)流的“拖拽”作用下，熔池上、下表面比熔池中間部分更長(zhǎng)、更不穩(wěn)定，形成了上、下兩個(gè)熔池拖尾，熔池拖尾的長(zhǎng)度在100 ms時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，熔池寬度在35 ms時(shí)達(dá)到穩(wěn)定.

2)在電子束焊接過(guò)程中，匙孔的形成不僅可以改變液態(tài)金屬流速的大小，還可以改變流體流動(dòng)的方向，在匙孔壁面上，液態(tài)金屬在金屬蒸汽反沖壓力和Marangoni對(duì)流的作用下產(chǎn)生很大的流速，最大值可以達(dá)到10 m/s，使熔池劇烈震蕩.

3)金屬蒸汽反作用力對(duì)熔池中流速的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力和表面張力的影響.

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MoltenpoolbehavioroffullpenetrationEBWon2219aluminumalloy

FANG Yuchao, YANG Ziyou, DING Rui, HE Jingshan

(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining(Harbin Institute of Technology), Harbin 150001, China)

In order to effectively control the welding seam formation during electron beam welding to meet the welding structure requirements, the physical process of molten pool during EBW was analyzed. A three-dimensional EBW model was employed to simulate the molten pool in full penetration welding based on finite volume method (FVM). The molten pool behavior and rules were discussed. The simulation results showed that when the keyhole is formed by electron beam welding, the velocity and direction of the liquid metal in the molten pool changes rapidly, and the maximum flow rate can reach 10 m/s.The molten pool was vibrated violently by recoil pressure during the welding process. The heated liquid metal away from the keyhole driven by Marangoni convection to increase the width of molten pool. The width and longitude of molten pool were stable at about 35 ms and 90 ms, respectively. After solidification, the weld reinforcement and the shrink appeared at the top surface and the reverse side. The bead shape abstracted from the simulation and experimental result showed similar evolution. Moreover, according to the analysis of fluid flow in molten pool, it can also be concluded that the driven force of recoil pressure was much greater than that of the gravity and surface tension.

electron beam welding; 2219 aluminum alloy; numerical simulation; full penetration welding; fluid flow

10.11918/j.issn.0367-6234.201705147

TG 456.3

A

0367-6234(2017)11-0030-06

2017-05-25

房玉超(1985—)，男，博士研究生；何景山(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

何景山，jingshanhlj@hit.edu.cn

(編輯苗秀芝)

封面圖片說(shuō)明

2017年第11期封面圖片來(lái)自論文“空間金字塔分解的深度可視化方法”，通過(guò)評(píng)估模型特征空間的潛在可表示性提出的一種用于改善理解模型特征空間的可視化方法. 圖片顯示選取的深度模型來(lái)自于開源Caffe社區(qū)的經(jīng)典深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其在ImageNet數(shù)據(jù)集上的分類識(shí)別性能依次從低到高，模型的復(fù)雜程度依次遞增. 為比較不同深度模型學(xué)習(xí)相同類別特征圖的差異，給定高斯噪聲生成隨機(jī)圖像作為輸入，指定可視化物體類別向量(見圖所示類別為第13類布谷鳥)，施加不同正則化項(xiàng)組合：p范數(shù)、高斯模糊和金字塔分解正則化方法的可視化效果. 研究結(jié)果為增加深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類模型的可解釋性問(wèn)題提供了理論依據(jù).

(圖文提供:陶攀,付忠良,朱鍇,等.中科院成都計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所)