304不銹鋼掃描激光焊接的 熔池流動(dòng)行為及焊縫成形研究

謝小瓏 李權(quán)洪 母中彥 黃安國

摘要：針對304不銹鋼掃描激光焊接過程中的熔池流動(dòng)行為及焊縫成形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究。在研究中，通過考慮了小孔效應(yīng)的三維瞬態(tài)模型和高速攝像平臺(tái)研究熔池的流動(dòng)行為，結(jié)果表明：在焊接過程中，小孔會(huì)推動(dòng)熔融金屬垂直于焊接方向流動(dòng)，當(dāng)熔融金屬撞擊熔池側(cè)壁時(shí)，存在溢出熔池的現(xiàn)象，當(dāng)掃描頻率過高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熔池飛濺的缺陷。此外，對不同掃描頻率和不同掃描寬度下的焊縫形貌進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：當(dāng)掃描幅度及其他參數(shù)一定時(shí)，較低的掃描頻率對母材的作用效果更強(qiáng)烈;當(dāng)掃描頻率及其他參數(shù)一定時(shí)，較小的掃描幅度對母材的作用效果更強(qiáng)烈。

關(guān)鍵詞：激光焊接;光束掃描;數(shù)值模擬;熔池流動(dòng);小孔效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TG456.7? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）01-0042-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.06

0? ? 前言

掃描激光焊接技術(shù)（Laser scanner welding，LSW）是通過高速掃描振鏡進(jìn)行快速振動(dòng)，使激光束聚焦在工件表面形成所需的特定掃描軌跡，從而實(shí)現(xiàn)高效焊接的一種方法[1-2]。該技術(shù)可控能力強(qiáng)、焊接速度快、定位精準(zhǔn)，焊接效率較傳統(tǒng)方法提升了數(shù)倍[3-4]，被廣泛應(yīng)用于汽車、航天以及電子制造業(yè)等領(lǐng)域[5-7]。但是，目前對掃描激光焊接過程物理機(jī)理的解釋明顯滯后于實(shí)際應(yīng)用，特別是針對掃描激光焊接過程中熔池傳熱流動(dòng)行為的研究尚未完全了解，工藝優(yōu)化也缺乏指導(dǎo)。不穩(wěn)定的熔池流動(dòng)極易出現(xiàn)細(xì)長的小孔被劇烈振蕩的熔池封閉隔絕的現(xiàn)象，最終形成未焊透、氣孔等缺陷[8-11]。

在過去的幾十年中，無論是實(shí)驗(yàn)方法還是數(shù)值模擬方法，激光焊接過程的金屬流動(dòng)行為一直是廣泛研究的主題。Katayama 等人使用X射線透射成像觀察激光焊接過程，發(fā)現(xiàn)低沸點(diǎn)元素（Mg，Zn）的蒸發(fā)和小孔的不穩(wěn)定性是造成焊接過程中熔池封閉隔絕的主要原因[12]。Müller等人發(fā)現(xiàn)過高的光束振蕩頻率和焊接速度會(huì)引起熔池振蕩，并產(chǎn)生氣孔[13]。Yamazaki等人在振蕩激光束的平板實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)光束的掃描方式對焊縫形狀有明顯的影響[14]。Wu等人的研究證明，垂直掃描可以改變激光焊接過程中的焊接表面形態(tài)并降低孔隙率[15]。上述研究提供了在掃描激光焊接中焊接缺陷產(chǎn)生的一些可能機(jī)理。然而，激光掃描焊接過程中的動(dòng)力學(xué)行為還沒有得到很好的研究，仍然缺乏定量理解。

文中通過實(shí)驗(yàn)觀察了激光掃描焊接過程中熔池熔融金屬的運(yùn)動(dòng)行為特征，并考慮振蕩激光束的動(dòng)態(tài)熱源模型，建立不銹鋼掃描激光焊接的三維數(shù)學(xué)模型，利用仿真方法再現(xiàn)掃描激光焊接過程中熔池的動(dòng)力學(xué)行為，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體分析了不同焊接工藝參數(shù)對掃描過程熔池流動(dòng)行為的影響。結(jié)果表明，熔池熔融金屬的流動(dòng)情況與小孔密切相關(guān);較低的掃描頻率和較小的掃描幅度對母材的作用效果較為強(qiáng)烈。本研究有助于增進(jìn)對掃描激光焊接過程中熔池流動(dòng)行為的理解，并指導(dǎo)焊接工藝參數(shù)的選擇。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

激光掃描焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意如圖1所示。采用的304不銹鋼基板尺寸為200 mm×100 mm×5 mm。激光入射角為5°，激光熱源為光纖激光器（IPG YLS-10000，波長1 060 nm），激光聚焦半徑0.3 mm，保護(hù)氣體為流量15 L/min的工業(yè)純氬氣。研究設(shè)置了不同掃描頻率和不同掃描幅度的對照實(shí)驗(yàn)，具體工藝參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行線切割取樣，經(jīng)磨光、拋光和腐蝕后，利用金相顯微鏡觀察試樣組織。

2 數(shù)學(xué)模型

為研究掃描激光焊接熔池流動(dòng)行為，建立了考慮小孔效應(yīng)和光束橫向掃描的激光焊接過程傳熱流動(dòng)三維數(shù)學(xué)模型。在模型中，采用光線追蹤方法加載激光能量，采用Level-Set方法追蹤熔池界面，采用混合相模型處理固液相界面，并充分考慮表面張力、熱毛細(xì)力及反沖壓力等的作用。

2.1 控制方程

采用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程進(jìn)行熔池內(nèi)的金屬液流動(dòng)傳熱行為描述[16-17]：

式中 ? ，p，T分別為待求量速度、壓力和溫度。式（2）的右端項(xiàng)分別為粘性力、壓力、達(dá)西力、浮力和重力的作用。式（3）的左端項(xiàng)分別為時(shí)變項(xiàng)和對流項(xiàng)，右端項(xiàng)為熱擴(kuò)散項(xiàng)。熔化和蒸發(fā)過程的相變熱采用溫度回升法處理。

熔池的界面采用Level Set方法進(jìn)行追蹤：

式中 φ為距離場函數(shù)， φ=0的等值面表示熔池界面。

2.2 掃描激光熱源

在本研究中，由于激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線，因此激光束中心（xc，yc）的運(yùn)動(dòng)軌跡確定為：

式中 A和f分別為掃描幅度和掃描頻率;Vweld為焊接速度;（x0，y0）為激光中心的初始位置。

焊接過程中，小孔熔池對激光的吸收模式為多重菲涅爾吸收。為準(zhǔn)確加載熱源，采用基于光線追蹤的激光熱源，由掃描激光束產(chǎn)生的金屬表面某點(diǎn)上的熱流可表示為[18]：

式中 θ為入射光束與小孔表面法向量的夾角;αFr為菲涅爾吸收系數(shù);ε為與激光類型有關(guān)的系數(shù)。假定激光束能量為高斯分布，其入射強(qiáng)度I0（x，y，z）可表示為：

式中 P為激光功率;R為激光光斑半徑。

2.3 邊界條件

熔池表面的運(yùn)動(dòng)主要受反沖壓力、表面張力、熱毛細(xì)力等的影響。根據(jù)之前的研究[13，17]，熔池表面所受力可分解為法向方向和切向方向，分別為：

式中 下標(biāo)f表示自由界面;Pr為反沖壓力，σ為表面張力;κ和? ? 分別為曲率和自由表面法向;? ?為表面切向量。

反沖壓力為：

式中 P0為大氣環(huán)境壓力;R為氣體常數(shù);ΔHv為蒸發(fā)潛熱;Tv為不銹鋼的沸點(diǎn)。

熔池表面的能量邊界為：

式中 q為激光加載熱流;εr為表面發(fā)射率;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù);h為空氣對流系數(shù);T∞為環(huán)境溫度;qevp為由于蒸發(fā)帶來的熱損失。對于其他表面，只考慮對流和輻射引起的熱損失。

數(shù)學(xué)模型采用有限差分方法離散求解。對流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用WENO格式和二階中心格式離散。為減少計(jì)算量，僅對尺寸為10 mm×8 mm×7 mm的區(qū)域進(jìn)行求解。網(wǎng)格采用均勻的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 激光掃描焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同掃描頻率條件下掃描激光焊接過程中熔池表面金屬液流動(dòng)的高速攝像結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖可知，相比50 Hz的掃描頻率，150 Hz時(shí)熔池前沿的熔合線更加平直。這表明增加激光掃描頻率能夠提高激光在橫向方向上的均勻分布。從圖2中可以觀察到，熔融金屬在激光束的推動(dòng)作用下與掃描方向同方向運(yùn)動(dòng)，來回撞擊熔池側(cè)壁。從圖2d中可以看到，熔融金屬撞擊熔池側(cè)壁后，出現(xiàn)了溢出熔池的現(xiàn)象。隨著掃描頻率的增加，激光束橫向掃描速度增加，激光對熔池?cái)嚢枳饔眉觿?，能夠推?dòng)熔融金屬以更高的速度撞擊熔池邊沿。如圖3所示，當(dāng)掃描頻率增至150 Hz時(shí)，能觀察到熔融金屬撞擊熔池邊沿后形成的小飛濺。這是由于熔融金屬獲得了更大的動(dòng)能，能克服表面張力的作用，從而在撞擊熔池邊沿后形成飛濺。因此，增加掃描頻率能夠提高橫向的能量均勻度，但過大的掃描頻率會(huì)增加熔池的劇烈程度并導(dǎo)致飛濺的形成。

3.2 激光掃描焊接模擬仿真結(jié)果

為了研究激光掃描焊接過程中熔池熔融金屬的流動(dòng)行為特征，針對該過程進(jìn)行了模擬仿真。其中，箭頭表示熔融金屬的流動(dòng)速度，箭頭的方向表示熔融金屬速度矢量的方向，箭頭的大小及顏色表示了該點(diǎn)速度值的大小和溫度。

掃描焊接過程的瞬態(tài)階段如圖4所示，可以看出焊接過程是極不穩(wěn)定的，熔池的溫度分布也是極不對稱的，主要集中在小孔附近。開始時(shí)刻（見圖4a），激光束打在母材上，形成一個(gè)圓形小孔，直徑約為0.3 mm，溫度約為2 900 K。隨后激光束向下運(yùn)動(dòng)（見圖4b），在母材上打出一條溝壑，在小孔附近的熔融金屬速度較大，約為3.2 m/s;到達(dá)下峰值后（見圖4c），激光束轉(zhuǎn)向，熔融金屬速度減慢，約為2.1 m/s;之后激光束向上運(yùn)動(dòng)（見圖4d、4e），熔融金屬的速度再次變大;最后到達(dá)上峰值（見圖4f），熔融金屬的速度變小。

掃描焊接過程的亞穩(wěn)態(tài)階段如圖5所示，可以看出在掃描焊接過程中，熔池熔融金屬的流動(dòng)情況較為復(fù)雜，過程中存在小孔效應(yīng)，熔池流動(dòng)的情況與小孔密切相關(guān)。焊接過程中，小孔直徑約為0.3 mm，附近的溫度約為2 800 K。開始時(shí)刻（見圖5a），小孔推動(dòng)熔融金屬向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最大速度3.4 m/s;1/4周期后，熔融金屬與熔池上側(cè)壁碰撞（見圖5b），速度有所損耗，為2.2 m/s，方向變?yōu)橄蛑鄢匚膊苛鲃?dòng);半個(gè)周期后，小孔再次來到熔池中部區(qū)域（見圖5c），推動(dòng)著熔融金屬向下運(yùn)動(dòng)，速度再次變大;3/4周期后，熔融金屬與熔池下側(cè)壁相撞（見圖5d），速度與方向再次發(fā)生變化;一個(gè)周期后，小孔回到開始時(shí)刻的位置，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。值得注意的現(xiàn)象是熔融金屬與熔池側(cè)壁相撞后，調(diào)轉(zhuǎn)方向向熔池尾部流動(dòng)，從圖5b中可以看到，除了大部分箭頭調(diào)轉(zhuǎn)了方向，還有小部分徑直沖出了熔池，從而形成小的飛濺。由上述描述可知：在焊接過程中，激光束給予了熔融金屬垂直于焊接方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，當(dāng)熔融金屬與熔池側(cè)壁相遇時(shí)，可能會(huì)引起飛濺等缺陷產(chǎn)生。

采用仿真和實(shí)驗(yàn)兩種方法，探究激光掃描焊接過程中的熔池熔融金屬的流動(dòng)行為特征，通過對比兩種方法得到的結(jié)果可以看出，在激光掃描焊接過程中，激光束會(huì)推動(dòng)熔融金屬垂直于焊接方向流動(dòng)，當(dāng)熔融金屬撞擊熔池側(cè)壁時(shí)，存在溢出熔池的現(xiàn)象，當(dāng)掃描頻率過高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熔池飛濺的缺陷，所以不宜選用過高的掃描頻率。

3.3 掃描頻率對激光焊縫形貌的影響

保持激光功率8 kW，焊接速度1 m/min，掃描幅度3 mm等參數(shù)不變，分別采用50 Hz、100 Hz、150 Hz的掃描頻率對5 mm厚的304不銹鋼進(jìn)行焊接，得到如圖6所示的焊縫橫截面金相圖，并測量焊縫的熔寬和凹陷深度，得到如表2和圖7所示的數(shù)據(jù)。由于三組試樣都出現(xiàn)了熔透的現(xiàn)象，無法從熔深看出不同頻率的激光對母材的作用效果，所以選用凹陷深度來判斷。從測量的數(shù)據(jù)可以看出，焊縫熔寬隨著掃描頻率的增加而減小，凹陷深度也有相同的趨勢，這說明低掃描頻率的激光束對母材的侵蝕效果更加強(qiáng)烈。

3.4 掃描幅度對激光焊縫形貌的影響

保持激光功率8 kW，焊接速度1 m/min，掃描頻率150 Hz等參數(shù)不變，分別采用3 mm、4 mm、5 mm的掃描幅度對5 mm厚的304不銹鋼進(jìn)行焊接，得到如圖8所示的焊縫橫截面金相圖，焊縫熔寬和凹陷深度數(shù)據(jù)如表3和圖9所示。從金相圖和測量數(shù)據(jù)可知，隨著掃描幅度的增加，凹陷深度逐漸減小，當(dāng)掃描幅度為5 mm時(shí)，母材未被熔透。因?yàn)閽呙桀l率是相同的，同一周期內(nèi)的能量總量是一定的，掃描幅度越大，單位長度上的能量密度就越小，激光對母材的作用效果就越弱。雖然較大掃描幅度的激光束對母材的侵蝕效果減弱，但由于激光束的作用范圍更大，對焊接時(shí)的裝配要求更低。

通過對比5組焊縫的金相圖，分別探討了掃描頻率和掃描幅度兩個(gè)工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響，可以得出：當(dāng)激光功率、焊接速度和掃描幅度一定時(shí)，低掃描頻率的激光束對母材的侵蝕效果更加強(qiáng)烈;當(dāng)激光功率、焊接速度和掃描頻率一定時(shí)，掃描幅度越大，激光束對母材的侵蝕效果越小，但由于作用范圍加大，實(shí)際生產(chǎn)中對焊件的裝配要求降低。

上述實(shí)驗(yàn)中試樣的截面圖均出現(xiàn)了咬邊缺陷，這主要取決于熔池前部液態(tài)金屬縱、橫向流動(dòng)行為，當(dāng)縱向/橫向平均流動(dòng)速度的比值過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫咬邊缺陷[19]。掃描激光焊接過程中，激光束的橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)增大熔池的橫向流動(dòng)速度，可減小縱向/橫向平均流動(dòng)速度，減少咬邊缺陷。但過大的頻率或幅度會(huì)造成金屬液的飛濺，可能使得焊縫邊沿金屬液減少而形成飛濺，如圖8b、8c所示。其他工藝產(chǎn)生的缺陷主要為焊縫下塌，其原因是在相應(yīng)的工藝條件下熱輸入過大。

4 結(jié)論

（1）通過激光掃描焊接實(shí)驗(yàn)及仿真技術(shù)，探究了熔池中熔融金屬的流動(dòng)行為特征，發(fā)現(xiàn)：在激光掃描焊接過程中，激光束會(huì)推動(dòng)熔融金屬垂直于焊接方向流動(dòng)，當(dāng)熔融金屬撞擊熔池側(cè)壁時(shí)，存在溢出熔池的現(xiàn)象，當(dāng)掃描頻率過高時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熔池飛濺的缺陷，所以不宜選用過高的掃描頻率。

（2）通過對5組焊縫進(jìn)行金相處理，探究了工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)掃描幅度及其他參數(shù)一定時(shí)，較低的掃描頻率對母材的作用效果更強(qiáng)烈;當(dāng)掃描頻率及其他參數(shù)一定時(shí)，較小的掃描幅度對母材的作用效果更強(qiáng)烈。

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