數(shù)值模擬技術(shù)在激光焊接過程中的應(yīng)用及發(fā)展

蘆鳳桂，鄧德安，王亞琦，邵晨東

(1.上海交通大學(xué),上海市激光制造與材料改性重點實驗室,上海,200240；2.重慶大學(xué),重慶,400044)

0 序言

激光焊接由于其焊接速度快、熱輸入量低、焊接變形小等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、能源裝備及船舶制造等工業(yè)生產(chǎn)焊接制造過程中.激光焊接過程涉及到材料對激光能量的吸收過程、材料的熔化與蒸發(fā)、等離子體(羽煙) 的形成、熔池與匙孔的形成、凝固與相變等復(fù)雜的多物理場問題，建立合理的反映激光焊接熱過程特點的數(shù)值模型，定量描述和澄清激光焊接過程中的熔化、蒸發(fā)、凝固等物理現(xiàn)象，對于更好地理解和掌握激光熱過程對焊縫成形、組織及應(yīng)力演化的影響規(guī)律及內(nèi)在機理十分重要，故數(shù)值模擬方法是焊接關(guān)鍵問題科學(xué)研究的強有力分析手段[1].

激光焊接自身快速熔凝的特點導(dǎo)致其焊接過程中更易產(chǎn)生駝峰、氣孔、飛濺、側(cè)壁未熔合等焊接缺陷[2-5]，直接影響激光焊縫成形質(zhì)量，另外激光焊縫組織梯度大及殘余應(yīng)力等問題也成為影響激光焊接構(gòu)件服役性能的重要因素.

文中從影響激光焊縫成形質(zhì)量及服役性能的焊接缺陷、組織演變、殘余應(yīng)力幾個方面入手，闡述數(shù)值模擬技術(shù)在激光焊接基礎(chǔ)問題方面應(yīng)用及發(fā)展.

1 激光焊縫成形問題的數(shù)值模擬

激光焊縫成形過程及相關(guān)缺陷的產(chǎn)生與熔池的流動行為、匙孔的動態(tài)波動及熔池的凝固過程密切相關(guān).此部分主要是針對熔池流動及匙孔行為進行闡述.

1.1 焊縫表面成形

在激光高速焊接時，焊縫表面成形主要涉及駝峰、咬邊、未熔合、焊穿等問題，這與熔池流動及匙孔行為密切相關(guān).在表面駝峰成形方面，Otto 等人[6]模擬研究了激光焊接表面駝峰的形成過程，發(fā)現(xiàn)金屬蒸氣的剪切力導(dǎo)致熔化金屬向后加速，形成的熔體支流沿側(cè)壁向后鋪展，兩側(cè)支流匯聚形成駝峰.

在激光熔透焊接時，根部焊縫成形控制非常重要.Zhang 等人[7]利用自行研發(fā)的三維激光焊接模型，利用銳利界面方法處理了影響匙孔動態(tài)行為的關(guān)鍵物理因素，發(fā)現(xiàn)小孔根部的流體受到強烈的蒸氣反作用力導(dǎo)致根部駝峰的形成，如圖1 所示.Bachmann 等人[8-9]研究表明激光熔透焊接過程中電磁力可以改變?nèi)鄢氐牧鲃臃较?，進而阻止熔池下墜，利于熔透焊縫根部成形.

圖1 背部駝峰形成時的小孔行為Fig.1 Behavior of keyhole when the root humping is formed

在激光焊接咬邊、焊穿等成形方面，Cho 等人[10]發(fā)現(xiàn)增加激光束震動頻率改變了能量的傳輸及熔池的流動行為，從而明顯改善焊縫成形質(zhì)量，咬邊和焊穿情況也得到明顯改善，如圖2 所示.

圖2 不同震動頻率下的激光焊縫成形情況Fig.2 Laser weld formation under different vibration frequency

1.2 焊接氣孔

在焊縫氣孔缺陷形成方面，許多學(xué)者分別在氣泡形成、影響因素及氣孔的演化等方面做了大量的數(shù)值模擬工作來研究氣孔形成過程及其抑制機理.Zhao 等人[11]認為當匙孔深度突然變大時容易造成匙孔坍塌，氣體進入熔池形成氣泡.Pang 等人[12-13]自行開發(fā)了考慮匙孔、金屬蒸氣羽煙及熔池動態(tài)行為的三維多相自洽模型，發(fā)現(xiàn)蒸氣羽煙擺動頻率與匙孔波動頻率近乎一致，闡明了蒸氣羽煙形成的負壓導(dǎo)致了匙孔后壁形成渦流，從而誘發(fā)環(huán)境氣體卷入匙孔，促進了氣泡的形成，如圖3 所示.

圖3 匙孔內(nèi)蒸氣羽煙行為及壓力分布Fig.3 Evolution of vapor plume velocity inside the transient keyhole and relative pressure

氣泡能否演化為氣孔涉及到熔池流動行為及凝固過程，Lu 等人[14-15]模擬發(fā)現(xiàn)氣泡遷移過程中存在消失、合并等現(xiàn)象，且被凝固界面捕獲后才會演變成氣孔，如圖4 所示.另外低沸點元素蒸發(fā)對匙孔動態(tài)行為有著重要的影響，Huang 等人[16-17]模擬考慮了Mg 元素含量對激光焊接鋁合金氣孔生成的影響，認為Mg 元素含量增加使得蒸氣反作用力增加，從而使得匙孔更加穩(wěn)定，降低了匙孔型氣孔的生成.激光震蕩在消除氣孔方面的作用機理也得到了模擬澄清[18-19]，其根本原因除了激光震蕩過程可以提高氣泡逃逸速度外，模擬還發(fā)現(xiàn)氣泡在震蕩過程中被匙孔合并導(dǎo)致氣泡消失，進而消除氣孔的機理.

圖4 氣泡向氣孔的演變過程Fig.4 Evolution process from bubble to pore.(a) 0.20 s; (b) 0.25 s; (c) 0.30 s; (d) 0.35 s; (e) 0.40 s; (f) 0.50 s

1.3 焊接飛濺

飛濺的產(chǎn)生會帶來金屬的元素損失，并影響焊縫成形質(zhì)量.Hugger 等人[20]模擬了鋼、鋁激光焊接過程，發(fā)現(xiàn)熔體首先在匙孔的邊緣產(chǎn)生駝峰，在表面張力作用下頸縮，在沖擊力的作用下離開表面形成飛濺，如圖5 所示.Chang 等人[21]研究認為鋁合金激光焊接時飛濺的產(chǎn)生與熔池的流動速度和渦流密切相關(guān).Wu 等人[22]模擬發(fā)現(xiàn)匙孔后壁的熔池沿熔合線向上流動，導(dǎo)致上表面飛濺產(chǎn)生.由于飛濺產(chǎn)生的影響因素較為復(fù)雜，考慮金屬蒸氣行為對于理解飛濺產(chǎn)生的過程十分必要.

圖5 鋁合金激光焊接飛濺產(chǎn)生過程Fig.5 Formation process of spatter

激光焊接過程中低沸點元素蒸發(fā)誘發(fā)飛濺產(chǎn)生的情況，也引起了學(xué)者的興趣.Hao 等人[23-25]模擬研究了鋅蒸氣對匙孔與熔池動態(tài)行為的影響，分析了飛濺產(chǎn)生的過程，如圖6 所示，模擬還發(fā)現(xiàn)激光折線掃描路徑下，由于鋅蒸氣分階段進入匙孔，沖擊力減小，使得匙孔和熔池更加穩(wěn)定，明顯降低了飛濺情況.Qi 等人[26]模擬環(huán)形激光熱源作用下鍍鋅鋼板的飛濺情況，認為產(chǎn)生飛濺的主要原因是熔池中的回流和渦流導(dǎo)致，同軸環(huán)形和高斯熱源的匹配增加了回流的阻力，進而控制了飛濺的產(chǎn)生.

圖6 鋅蒸氣在匙孔中的流動行為Fig.6 Fluid flow of zinc vapor

2 激光焊縫組織演化數(shù)值模擬

宏、微觀組織的模擬也是激光焊接數(shù)值模擬的重要組成部分，近年來，各國學(xué)者已對激光焊縫組織的仿真進行了相關(guān)嘗試，本節(jié)主要針對這方面的研究進展進行介紹.

2.1 宏觀偏析

目前，針對焊縫宏觀組織的數(shù)值模擬主要集中于異種材料因元素混合不均勻引起的宏觀偏析方面.Gu 等人[27]利用元素分離法實現(xiàn)了不同材料在激光選區(qū)熔化過程中的界面相遷移行為的模擬.Yao 等人[28]利用該方法，并結(jié)合微尺度流體動力學(xué)和納秒級別的熱擴散分析，實現(xiàn)了316L 不銹鋼/Inconel 718 異種材料激光熔池中魚鱗狀宏觀偏析組織的模擬，如圖7 所示，這種宏觀偏析組織的仿真重點在于界面參數(shù)的優(yōu)化.

圖7 單道激光掃描焊縫截面元素分布模擬結(jié)果Fig.7 Alloy distribution for single-track laser scan.(a) experimental result of element distribution;(b) simulation result of element distribution

2.2 微觀組織

焊縫微觀組織的數(shù)值模擬的研究主要有以下3 種方法：相場法、元胞自動機法以及蒙特卡羅法，且每種方法的側(cè)重點不同.

Fallah 等人[29]采用相場法，針對不同條件下Ti-Nb 合金激光熔池中的一次枝晶臂間距進行了模擬計算.Mi 等人[30]同樣利用這一方法對Al-Cu 合金激光焊熔池中的競爭生長行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)在非最優(yōu)取向的晶粒會影響到相鄰晶粒的生長，晶界處的枝晶更易于在橫向生長，通過阻礙其它方向枝晶的生長路徑，進而改變不同取向晶粒的尺寸.Geng 等人[31-32]發(fā)現(xiàn)Al-Mg 較Al-Cu 合金會在凝固過程中更早地發(fā)生廣泛的枝晶連接現(xiàn)象，從而使其裂紋敏感性更低，這可以歸因于其一次枝晶較低的溶質(zhì)偏析，如圖8a，8b 所示.

圖8 溶質(zhì)分布及晶粒形貌模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of solute distribution and microscopic morphologies.(a) solute distribution in columnar growth of Al-4.0%Cu alloy; (b) solute distribution in columnar growth of Al-4.0%Mg alloy; (c) microscopic morphologies with different pre-heating temperatures in a single track

相較于相場法，元胞自動機法以其計算效率高、所需的模型參數(shù)少、試驗匹配度較好的特點，得到了越來越多的關(guān)注.Ao 等人[33]利用該方法對激光熔池的微觀組織進行了模擬，結(jié)果如圖8c所示，可見等軸晶比例會隨著預(yù)熱溫度的增加和激光掃描速度的降低而顯著增加，而等軸晶形貌會隨著相鄰兩道激光距離的增加變得更加長而窄.Shi 等人[34]利用該模型結(jié)合有限元的方法，實現(xiàn)了含氣孔的不同柱狀晶和等軸晶比例的熔池的仿真，并發(fā)現(xiàn)熔池晶粒生長形態(tài)取決于熔池的寬度、深度以及過冷度.近期，Liu 等人[35]提出了結(jié)合三維元胞自動機法和一維相場法的新模型，通過結(jié)合元胞自動機法的高效性和相場法的準確性，成功實現(xiàn)了大尺度鋁合金凝固前沿枝晶形貌的預(yù)測.

對于蒙特卡羅法，該模型并不考慮凝固過程中的枝晶形貌、元素偏聚和過冷等因素，目前被廣泛地用于晶粒長大、再結(jié)晶等晶粒演化行為的數(shù)值模擬.Zhang 等人[36]利用該模型成功實現(xiàn)了12%Cr鐵素體不銹鋼在激光-電弧復(fù)合焊條件下熱影響區(qū)晶粒的模擬，并發(fā)現(xiàn)頂部區(qū)域熱影響區(qū)的晶粒尺寸要大于根部.Gleason 等人[37-38]利用該方法針對激光沖擊焊接過程中1100 鋁合金和304 不銹鋼的不均勻的界面微觀組織進行了仿真，如圖9 所示，實現(xiàn)了對不同屈服面、層錯能以及晶界滑動條件下的晶粒伸長行為的預(yù)測.

圖9 有、無晶粒模型的鋁/鋼接觸界面的溫度與等效應(yīng)變分布情況Fig.9 Comparison of the localized temperature and equivalent plastic strain sampled along the contact interface in both inhomogeneous (grain) and homogeneous (no grain) models

3 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

與傳統(tǒng)的弧焊相比，激光焊對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響主要體現(xiàn)在制造工藝方面[39]，以下將對近幾年來在激光焊接殘余應(yīng)力方面取得的進展進行介紹.Sun 等人[40]以Q235 鋼平板對接接頭為研究對象，采用試驗手段和熱-彈-塑性有限元方法研究了激光焊和電弧焊的溫度場、殘余應(yīng)力與焊接變形.圖10 是激光焊(Case A)與電弧焊(Case C)得到的焊縫中央位置的溫度循環(huán)曲線，可見激光焊的熔化面積小，而且熔深貫穿整個板厚，而電弧焊盡管熔化面積更大，激光焊的加熱速度更快，峰值溫度更高，高溫停留時間更短而且冷卻速度也更快.

圖10 激光焊與電弧焊焊縫中央位置溫度循環(huán)曲線Fig.10 Thermal cycle at the weld center of laser and arc welding process

圖11 是薄板接頭中央斷面上的縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果，可見在激光焊條件下接頭的上、下表面的縱向殘余應(yīng)力的大小與分布幾乎完全一致，這是因為激光焊產(chǎn)生的熔化區(qū)域在板厚方向分布較均勻所致，拉伸殘余應(yīng)力峰值與材料常溫屈服強度基本一致.在電弧焊條件下的橫向殘余應(yīng)力的峰值要遠高于激光焊，單就焊接殘余應(yīng)力的峰值大小而言，激光焊并不能有效減緩殘余應(yīng)力，該研究結(jié)果也得到了其它學(xué)者的支持[41-42].

圖11 中央截面上的殘余應(yīng)力分布Fig.11 Residual stress distribution on the central section.(a) longitudinal residual stress; (b) transverse residual stress

在激光厚板焊接殘余應(yīng)力方面，Xu 等人[43]模擬比較了板厚為12 mm 的Q460 鋼在激光焊和多層多道氣體保護焊條件下接頭的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)激光焊接頭的高拉伸縱向殘余應(yīng)力范圍要明顯小于氣體保護焊接頭，但峰值應(yīng)力沒有明顯的差異.Yan 等人[44]研究了板厚為10 mm 的316L 不銹鋼在激光條件下的殘余應(yīng)力，如圖12 所示，由于板厚較厚，橫向殘余應(yīng)力的大小與薄板接頭相比有顯著增加.Deng 等人[45]采用考慮加工硬化及退火軟化的熱-彈-塑性有限元方法研究了SUS304 管-管激光焊對接接頭的殘余應(yīng)力，并討論了由固溶處理引起的初期殘余應(yīng)力對焊接殘余應(yīng)力的影響.

圖12 316L 對接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.12 Residual stress distribution of welded joint.(a) mises stress; (b) transverse stress; (c) longitudinal stress

Elmesalamy 等人[46]以板厚為10 和20 mm 316L鋼對接接頭為研究對象，采用輪廓法測量了多道窄間隙激光焊對接接頭和多層多道TIG 焊對接接頭的殘余應(yīng)力.圖13 是距焊接接頭上表面1.5 mm位置的縱向殘余應(yīng)力分布，可見窄間隙激光焊和多層多道TIG 焊產(chǎn)生的峰值應(yīng)力前者為310 MPa，而后者為520 MPa，且激光焊縱向高拉伸殘余應(yīng)力區(qū)域明顯較窄，故窄間隙激光焊方法可能是一個控制殘余應(yīng)力的有效途徑，且多道窄間隙激光焊接方法將是用于控制加工硬化顯著材料厚板接頭焊接殘余應(yīng)力一種有效的方法.

圖13 距上表面1.5 mm 處的縱向殘余應(yīng)力分布Fig.13 Longitudinal residual stress distribution at the location of 1.5 mm away from the upper surface

近年來，激光焊殘余應(yīng)力的報道在鋁合金、鎂合金、鈦合金[47]以及異種金屬激光熔釬焊[48]方面也越來越多.

4 結(jié)束語與展望

(1) 在激光焊縫成形模擬方面，匙孔的動態(tài)行為決定了焊接過程的穩(wěn)定性，現(xiàn)有數(shù)值模型已經(jīng)實現(xiàn)了匙孔壁與激光能量的實時耦合，但是激光束與等離子體(羽煙)的耦合行為很少涉及，考慮金屬蒸氣流動行為與激光熱源的相互作用，是激光焊接過程建模發(fā)展的方向.

(2) 在激光焊縫組織模擬方面，熔池的流動對元素宏觀偏析行為方面的模擬結(jié)果取決于界面參數(shù)的選取與優(yōu)化；而微觀組織方面，進一步完善3 種模型需要準確獲得新晶粒形核的相關(guān)參數(shù)十分重要，實現(xiàn)宏觀與微觀組織多尺度模擬還具有很高的挑戰(zhàn)性.

(3) 在激光焊接殘余應(yīng)力方面，對于低合金高強鋼及超高強鋼而言，如何建立完備的“熱-組織-力學(xué)”多場耦合模型，高精度的模擬激光焊條件下殘余應(yīng)力將是一個挑戰(zhàn)性的課題.此外，對加工硬化較顯著材料優(yōu)化工藝降低殘余應(yīng)力、降低累積塑性應(yīng)變和減緩敏化程度是值得深入探索的方向.