激光焊接過(guò)程的熔池動(dòng)態(tài)行為研究

彭進(jìn)，許紅巧，王星星，李帥，李俐群，龍偉民，陳本樂(lè)

(1.華北水利水電大學(xué),河南省高效特種綠色焊接國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州,450045；2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)寧波智能機(jī)床研究院有限公司,寧波,315700；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

激光焊接技術(shù)具有能量密度比較集中，焊接速度快，焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天[1-3]以及汽車[4-5]等領(lǐng)域.

國(guó)內(nèi)外針對(duì)激光自熔焊進(jìn)行了相應(yīng)的研究.Li 等人[6]研究了激光焊接熔池流動(dòng)與焊接飛濺行為，發(fā)現(xiàn)離焦量會(huì)對(duì)熔池內(nèi)部熔體流動(dòng)產(chǎn)生影響，這主要是因?yàn)殡x焦量的變化改變了匙孔內(nèi)部激光能量的分布，從而影響匙孔形貌的穩(wěn)定性及熔池的流動(dòng)行為.Kawahito 和Katayama 等人[7-8]借助X 射線透射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光深熔焊熔池，研究發(fā)現(xiàn)激光焊接過(guò)程中匙孔形態(tài)不斷變化，當(dāng)匙孔中部或底部閉合后，產(chǎn)生焊接氣泡，影響焊縫質(zhì)量.

考慮到在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本問(wèn)題.目前相關(guān)學(xué)者借助數(shù)值模擬技術(shù)針對(duì)激光深熔焊的熔池行為進(jìn)行了相應(yīng)的研究.Sohail 等人[9]建立的激光自熔焊焊接模型引入了反沖壓力、表面張力等焊接作用力，研究了焊接熱輸入對(duì)熔池流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)焊接速度影響熔池的深度和熔池寬度，并且較高激光功率下，熔池后方的渦流較為明顯.Li 等人[10]研究了激光自熔焊T 形接頭的氣泡生成及焊縫凝固的過(guò)程，焊接氣泡生成之后隨熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)而移動(dòng)，當(dāng)熔池凝固前焊接氣泡未逃逸出熔池，則形成焊縫氣孔.張屹等人[11]采用Level-Set 方法對(duì)激光自熔焊的匙孔壁面的氣-液界面進(jìn)行追蹤，研究了匙孔及熔池動(dòng)態(tài)行為.發(fā)現(xiàn)，由于匙孔前方的熔池金屬厚度薄于匙孔后方的熔池金屬，因此匙孔前方熔池溫度梯度明顯大于匙孔后方熔池溫度梯度，匙孔頂部的流速高于匙孔底部的流速.通過(guò)上述文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)激光自熔焊進(jìn)行了相應(yīng)的研究，而針對(duì)焊絲填充下的熔滴進(jìn)入熔池對(duì)熔池動(dòng)態(tài)行為影響的研究較少.

基于以上分析，文中首先采用高速攝像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)激光自熔焊、激光填絲焊熔池動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行分析，并對(duì)焊縫成形進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步采用數(shù)值模擬的方法對(duì)激光自熔焊、激光填絲焊填充金屬作用下的焊接熔池動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行對(duì)比分析.

1 試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型條件

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料采用Al-Mg-Si系的6056鋁合金，試板尺寸200 mm × 60 mm × 4 mm.試驗(yàn)采用的激光器為光纖激光器，最大輸出功率為10 kW.為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中熔池動(dòng)態(tài)行為，試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)(型號(hào)c amrecord5000×2)并配備輔助光源對(duì)焊接熔池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).激光焊接速度為2 m/min，激光功率2.0 kW，送絲速度3 m/min，送絲角度為30°，保護(hù)氣體流量15 L/min.激光焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1 Welding system diagram.(a) autogenous laser welding;(b) laser welding with filler wire

1.2 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)FLUENT19.0軟件建立了激光焊接熱流耦合模型.文中主要是分析液態(tài)金屬進(jìn)入熔池后對(duì)熔池的影響，因此對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化：不考慮激光填絲焊的焊絲熔化及脫離焊絲過(guò)程，假設(shè)焊絲前端已經(jīng)熔化并以液態(tài)熔滴的形式進(jìn)入熔池.熔池中的液態(tài)金屬為層流流動(dòng)、不可壓縮的牛頓流體；忽略保護(hù)氣體對(duì)熔池的影響.激光填絲焊焊絲端部熔化成液態(tài)金屬的示意圖如圖2所示.

圖2 激光填絲焊焊絲端部熔化成液態(tài)金屬的示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding wire end melting into liquid metal in laser wire welding with filler wire

激光焊接模型的控制方程如下，連續(xù)性控制方程為

動(dòng)量守恒方程，x、y、z方向如式(2)～ 式(4)所示，即

式中：P為壓力，u0為焊接速度，Su、Sv、Sw分別為動(dòng)量方程沿x、y、z方向的源項(xiàng)，H物理含義為混合焓，ρ是母材的密度，T為溫度，t為 焊接時(shí)間，k為母材導(dǎo)熱系數(shù).

數(shù)學(xué)模型中考慮了反沖壓力、表面張力、重力等作用力[12].對(duì)液態(tài)熔滴填充進(jìn)入熔池后的熱交互作用，處理成熔池內(nèi)部液態(tài)金屬周期性熱焓量的變化，熔滴的熱量公式為

式中：wf是熔滴速度，ρ是熔滴密度，Hd是熔滴混合焓，rw是熔滴半徑.熔滴進(jìn)入熔池的有效熱量公式為

式中：Td是液態(tài)熔滴溫度，Cpl是 液態(tài)熔滴比熱，Tl是液態(tài)熔滴液相線溫度.為提高計(jì)算的精確度，F(xiàn)LUENT19.0 軟件中設(shè)置的時(shí)間步長(zhǎng)為1 × 10-5s.表1 為焊接工件的熱物性參數(shù).

文中采用高速攝像機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋁合金激光過(guò)程在線監(jiān)測(cè)，數(shù)值模擬參數(shù)與焊接參數(shù)相同.圖3 為高速攝像機(jī)拍攝的熔池圖像與數(shù)值模擬的熔池圖像的對(duì)比驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)高速攝像的熔池輪廓與數(shù)值模擬的熔池輪廓基本吻合.進(jìn)而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.

圖3 試驗(yàn)熔池圖像與數(shù)值模擬熔池圖像Fig.3 Experimental weld pool image and numerical simulation weld pool image

2 結(jié)果與討論

2.1 熔池表面動(dòng)態(tài)行為試驗(yàn)結(jié)果

激光自熔焊熔池表面波動(dòng)的高速攝像圖像如圖4 所示(t=300 ms).可以發(fā)現(xiàn)，激光自熔焊過(guò)程中，熔池表面并不是靜態(tài)的，而是不斷波動(dòng)的，隨著焊接時(shí)間的進(jìn)行，匙孔開(kāi)口處出現(xiàn)金屬噴發(fā)的現(xiàn)象(圖4c)，進(jìn)而產(chǎn)生較大尺寸的焊接飛濺(圖4d).

圖4 激光自熔焊熔池表面行為Fig.4 Surface behavior of weld pool in autogenous laser welding.(a) t ms;(b) t+8 ms;(c) t+9 ms;(d) t+10 ms

激光填絲焊熔池表面波動(dòng)的高速攝像圖像如圖5 所示.可以發(fā)現(xiàn)，激光填絲焊過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)焊接飛濺，但尺寸較小.通過(guò)對(duì)圖4 和5 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，激光自熔焊焊縫魚(yú)鱗紋較緊密均勻，而激光填絲焊焊縫魚(yú)鱗紋均勻性差，這主要是由于焊絲熔化成的液態(tài)金屬進(jìn)入熔池后，對(duì)熔池表面有沖擊的作用，熔池表面的波動(dòng)較為劇烈.

圖5 激光填絲焊過(guò)程熔池表面波動(dòng)狀態(tài)圖像Fig.5 Molten pool surface fluctuation image in laser welding with filler wire.(a) t ms;(b) t+8 ms;(c)t+9 ms;(d) t+10 ms

圖6a、6b 分別為激光自熔焊、激光填絲焊焊縫表面成形.可以發(fā)現(xiàn)，激光自熔焊表面有凹坑出現(xiàn)，而激光填絲焊焊縫表面成形良好.初步分析認(rèn)為，焊絲熔化后的液態(tài)金屬不僅具有動(dòng)能而且具有一定的熱量，那么液態(tài)金屬進(jìn)入熔池后不僅會(huì)影響熔池的傳熱傳質(zhì)，而且會(huì)對(duì)熔池的流動(dòng)產(chǎn)生一定程度的影響.為此文中進(jìn)一步通過(guò)建立的激光焊接熱流耦合模型對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析和論述.

2.2 匙孔三維形貌的數(shù)值模擬結(jié)果

為了對(duì)比研究填充金屬對(duì)匙孔三維形貌的影響，文中選取數(shù)值模擬結(jié)果中較為典型的熔池產(chǎn)生焊接飛濺的兩個(gè)時(shí)間步進(jìn)行對(duì)比分析.圖7、圖8分別為激光自熔焊、激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程的匙孔三維形貌的數(shù)值模擬結(jié)果(圖像左側(cè)為溫度場(chǎng)，右側(cè)為沿xOz截面(y=0)截取的匙孔壁面的流場(chǎng)).

圖7 激光自熔焊匙孔三維形貌Fig.7 Three dimensional shape of keyhole in autogenous laser welding.(a) time step 2 580;(b) time step 2 600

圖8 激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程的匙孔三維形貌Fig.8 Three dimensional shape of keyhole in liquid metal filling process of laser welding with filler wire.(a) time step 2 580;(b) time step 2 600

由圖7 可知，激光自熔焊，在第2 580 時(shí)間步時(shí)，匙孔后方產(chǎn)生較大的隆起(圖7a)，第2 600 步時(shí)，匙孔后方產(chǎn)生較大的隆起擺脫表面張力、重力的束縛產(chǎn)生較大尺寸的飛濺(圖7b)；在第2 580 時(shí)間步時(shí)的最大流動(dòng)速度為2.821 m/s，在第2 600 時(shí)間步時(shí)的最大流動(dòng)速度上升為3.179 m/s(位于匙孔開(kāi)口后方)，這表明隨著焊接時(shí)間的進(jìn)行，金屬的隆起流體的動(dòng)能積累到一定程度可以擺脫表面張力、重力的束縛形成較大尺寸的焊接飛濺.

由圖8 可知，激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程，第2 580 時(shí)間步的匙孔后方已經(jīng)產(chǎn)生了飛濺，但飛濺的尺寸相對(duì)較小(圖8a)，第2 600 步的匙孔后方也有小尺寸的焊接飛濺產(chǎn)生(圖8b)；在第2 580 時(shí)間步時(shí)的最大流動(dòng)速度為4.354 m/s，在第2 600 時(shí)間步時(shí)的最大流動(dòng)速度下降為3.045 m/s(位于匙孔開(kāi)口后方)，這表明隨著較小飛濺的產(chǎn)生，匙孔壁面最大流動(dòng)速度有所下降，但匙孔后方的液態(tài)金屬仍能擺脫表面張力、重力的束縛形成焊接飛濺.

2.3 熔池動(dòng)態(tài)行為的數(shù)值模擬結(jié)果

為了對(duì)比研究填充金屬對(duì)熔池動(dòng)態(tài)行為的影響，文中選取數(shù)值模擬結(jié)果中較為典型的熔池產(chǎn)生焊接飛濺的兩個(gè)時(shí)間步進(jìn)行對(duì)比分析.通過(guò)對(duì)比圖7 和圖8 可知，填充金屬進(jìn)入熔池對(duì)匙孔及匙孔周圍金屬產(chǎn)生了一定程度的影響，這種變化與熔池的流場(chǎng)存在必然的聯(lián)系.為此文中繼續(xù)對(duì)激光自熔焊、激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程的熔池流場(chǎng)進(jìn)行分析.

圖9、圖10 分別為激光自熔焊第2 580 時(shí)間步、第2 600 時(shí)間步的速度流場(chǎng)及流速云圖的數(shù)值模擬結(jié)果.由圖9a、圖10a 可知，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近均出現(xiàn)由匙孔開(kāi)口處向熔池尾部流動(dòng)的情況.匙孔開(kāi)口附近熔體流動(dòng)速度較大(圖9b、圖10b)，在匙孔開(kāi)口后方出現(xiàn)了金屬隆起，金屬的隆起尺寸較大當(dāng)斜向上方的流體動(dòng)能積累到一定程度最終克服表面張力、重力的束縛形成較大尺寸的焊接飛濺，當(dāng)產(chǎn)生的飛濺量較大時(shí)，激光自熔焊焊縫很容易出現(xiàn)下凹的缺陷.

圖10 激光自熔焊-第2 600 時(shí)間步的速度流場(chǎng)及流速云圖Fig.10 Autogenous laser welding-velocity flow field and velocity contour at 2 600 time step.(a) fluid flow;(b) cloud diagram of molten pool flow velocity

圖11、圖12 分別為激光填絲焊第2 580 時(shí)間步、第2 600 時(shí)間步的速度流場(chǎng)及流速云圖的數(shù)值模擬結(jié)果.由圖11a、圖12a 可知，激光填絲焊匙孔壁后方熔池表面出現(xiàn)由匙孔開(kāi)口處向熔池尾部流動(dòng)的情況，但在其下方出現(xiàn)由熔池尾部回流向匙孔的流動(dòng).在這種熔體流動(dòng)的趨勢(shì)下在匙孔開(kāi)口處出現(xiàn)了小尺寸的飛濺(圖11b、圖12b).分析認(rèn)為，對(duì)于激光填絲焊，雖然也會(huì)產(chǎn)生焊接飛濺，但焊接飛濺的尺寸相對(duì)較小，而且由于焊絲端部液態(tài)金屬的填充作用，焊縫表面不易出現(xiàn)下凹的缺陷.

圖11 激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程-第2 580 時(shí)間步的速度流場(chǎng)及流速云圖Fig.11 Liquid metal filling process of laser welding with filler wire -velocity flow field and velocity contour at 2 580 time step.(a) fluid flow;(b) cloud diagram of molten pool flow velocity

圖12 激光填絲焊液態(tài)金屬填充過(guò)程-第2 600 時(shí)間步的速度流場(chǎng)及流速云圖Fig.12 Liquid metal filling process of laser welding with filler wire-velocity flow field and velocity contour at 2 600 time step.(a) fluid flow;(b) cloud diagram of molten pool flow velocity

圖13 為激光自熔焊與激光填絲焊的匙孔壁后方熔體(監(jiān)測(cè)的熔體具體位置為圖13 中的圖片黃色球體的位置)隨計(jì)算時(shí)間步的流體速度變化統(tǒng)計(jì)圖.由圖13 可知，隨著時(shí)間的進(jìn)行，與激光自熔焊相比，液態(tài)熔滴進(jìn)入熔池后，匙孔壁后方的熔體流動(dòng)速度波動(dòng)程度明顯增大.熔滴進(jìn)入熔池過(guò)程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最大值為1 132 mm/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最小值為94 mm/s，流體速度平均值為323 mm/s；激光自熔焊熔池監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最大值為638 mm/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最小值為104 mm/s，流體速度平均值為312 mm/s.這表明激光填絲焊匙孔中下部位置的熔池流體流速波動(dòng)較大，匙孔穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生焊接氣泡.

圖13 匙孔后方熔體流動(dòng)速度對(duì)比Fig.13 Comparison of melt flow velocity behind the keyhole

3 結(jié)論

(1) 激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出現(xiàn)由匙孔開(kāi)口處向熔池尾部流動(dòng)的情況，在匙孔開(kāi)口后方出現(xiàn)了金屬隆起，金屬的隆起尺寸較大.激光自熔焊焊縫成形較差，表面有凹坑出現(xiàn).

(2) 激光填絲焊匙孔壁后方熔池表面出現(xiàn)由匙孔開(kāi)口處向熔池尾部流動(dòng)的情況，但在其下方出現(xiàn)由熔池尾部回流向匙孔的流動(dòng)，雖然也會(huì)產(chǎn)生焊接飛濺，但焊接飛濺的尺寸相對(duì)較小，而且由于液態(tài)金屬的填充作用，焊縫表面不易出現(xiàn)下凹的缺陷，焊縫成形良好.

(3) 與激光自熔焊相比，液態(tài)熔滴進(jìn)入熔池后，匙孔壁后方的熔體流動(dòng)速度波動(dòng)程度明顯增大.熔滴進(jìn)入熔池過(guò)程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最大值為1 132 mm/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最小值為94 mm/s，流體速度平均值為323 mm/s；激光自熔焊熔池監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最大值為638 mm/s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)流體速度最小值為104 mm/s，流體速度平均值為312 mm/s.這表明激光填絲焊匙孔中下部位置的熔池流體流速波動(dòng)較大.