AH36 薄板激光-電弧復(fù)合焊熔滴過渡與熔池分析

潘南旭，葉欣， 景豪豪，夏鵬，王佳驥

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 鞍山 114009）

AH36 是廣泛應(yīng)用于造船業(yè)的高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼板，主要用于制作重要的結(jié)構(gòu)件，內(nèi)部通常表現(xiàn)為鐵素體和珠光體組織[1]，且易形成織構(gòu)[2-3]。采用激光-電弧復(fù)合焊接使兩種不同熱源作用于同一熔池，激光與電弧的耦合作用可顯著提高焊接速度和焊深[4]，增強(qiáng)間隙橋接能力和工藝穩(wěn)定性[5]，消除氣孔和縮小熱影響區(qū)[6]，提高焊接效率、焊接穩(wěn)定性和熔透性[7-8]。激光功率、焊接電流、激光弧距等因素均對(duì)焊縫成形、協(xié)同效應(yīng)和焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[9-10]。 在焊接過程中生成的激光等離子體和匙孔對(duì)電弧穩(wěn)定和熔滴過渡影響較大[11]，從而影響焊接穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量[12]。

本文在AH36 薄板激光-電弧復(fù)合焊中，通過高速攝像觀察并記錄熔滴過渡過程， 分析不同激光功率對(duì)熔滴過渡形式、頻率的影響，并運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法分析熔滴過渡沖擊對(duì)熔池溫度與流場(chǎng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選取AH36 海工鋼薄板， 采用平板對(duì)接方式焊接。 焊接件的規(guī)格為300 mm×150 mm×5 mm，母材化學(xué)成分如表1 所示。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in Base Metal （Mass Fraction） %

焊接時(shí)采用流量為20 L/min 的純氬氣作為保護(hù)氣體，焊絲為直徑1.2 mm 的JM-56 鋼，化學(xué)成分見表2。 焊接前進(jìn)行表面清潔處理，用砂紙去除工件表面氧化層。

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical Compositions in Welding Wires （Mass Fraction） %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，見圖1所示。 系統(tǒng)包括激光焊接系統(tǒng)、電?。∕IG）焊接系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及高速攝像系統(tǒng)。激光焊接系統(tǒng)主要包括TruDisk16002 激光器和HIGHYAG 焊接激光頭；MIG 焊接系統(tǒng)主要包括KEMPPI 焊機(jī)、KempArc 送絲機(jī)和德國(guó)TBI 公司的RM42W 水冷焊槍；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由ABB 公司的IRB4600 機(jī)器人組成；高速攝像機(jī)使用了美國(guó)的幻影VEO710L。

圖1 激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)Fig. 1 Laser-arc Hybrid Welding System

激光器最大功率能達(dá)到16 kW， 通過光纖將激光器產(chǎn)生的激光傳遞到激光加工頭。 激光聚焦裝置安裝在工作臺(tái)上并將光斑對(duì)準(zhǔn)焊炬前端進(jìn)行掃描。焊槍連接在工作臺(tái)后端， 其輸出電壓經(jīng)電纜傳送至工件上，工件由夾具夾緊。激光加工頭在電弧焊槍前面，入射角度為90°。 電弧焊槍和工件成45°角安置。激光束與電弧的光絲間距設(shè)置為2 mm。高速攝像機(jī)記錄焊接實(shí)時(shí)過程，掃描速率為1 000 fps。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

表3 為焊機(jī)額定參數(shù)。 在焊接實(shí)驗(yàn)過程中，不同工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致焊縫的成形及質(zhì)量出現(xiàn)差異。 首先確定焊接件對(duì)接方式、焊接保護(hù)氣、激光頭與MIG焊槍位置。 激光束垂直入射，MIG 焊槍與激光頭呈45°。 焊接過程中激光束在MIG 焊電弧前面，激光具有穩(wěn)定電弧作用，焊接過程飛濺少，焊縫成形性好。焊接過程使用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝熔滴過渡過程，研究熔滴過渡機(jī)理以及對(duì)焊縫成形的影響。

1.4 CFD 數(shù)值分析

在焊接實(shí)驗(yàn)中，熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的流動(dòng)、傳熱會(huì)影響焊縫成形以及質(zhì)量。焊接接頭的組織、力學(xué)性能以及缺陷都可以通過熔體流動(dòng)來分析，因此研究焊接過程中熔池動(dòng)力學(xué)行為具有重要意義。 通過CFD 數(shù)值模擬建立三維瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型，獲取各種條件下熔池內(nèi)部的瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

依據(jù)焊接實(shí)驗(yàn)得到熔池與焊縫尺寸， 熔滴過渡形式與頻率等數(shù)據(jù)。 基于VOF 體積分?jǐn)?shù)法，建立固液氣三相CFD 模型，進(jìn)行三維瞬態(tài)多場(chǎng)耦合分析，如圖2 所示。 模型采用反沖壓力，綜合考慮了表面張力、電磁力、浮力、反沖壓力、蒸發(fā)冷凝、蒸發(fā)換熱、熔滴過渡、對(duì)流換熱、輻射換熱等因素的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得焊縫形貌、熔池尺寸、熔滴過渡特征等參數(shù)校正模型。 借助可靠的仿真結(jié)果研究雙熱源耦合作用下的熔池動(dòng)力學(xué)行為， 考查各種驅(qū)動(dòng)力及焊接工藝參數(shù)對(duì)熔池流動(dòng)、 匙孔成形、熔深變化等規(guī)律的影響。

激光-MIG 電弧復(fù)合焊接具有典型的“丁”字形，上部分受電弧的影響比較大，數(shù)值模擬時(shí)采用雙橢球熱源；下部分受激光的影響比較大，數(shù)值模擬時(shí)采用高斯面熱源與高斯旋轉(zhuǎn)體熱源， 即以組合熱源模型對(duì)復(fù)合焊接熱源進(jìn)行表征。

2 熔滴過渡分析

2.1 熔滴過渡周期

實(shí)驗(yàn)中激光和MIG 電弧焊實(shí)際工作參數(shù)選擇如下：激光功率7.5 kW，電流204 A，電壓32 V，光絲間距2 mm，離焦量0 mm，焊接速度42 mm/s，送絲速度167 mm/s。 圖3 為熔滴過渡的一個(gè)周期過程。

圖3 熔滴過渡的一個(gè)周期過程Fig. 3 One Period Process of Droplet Transition

激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)產(chǎn)生的激光對(duì)熔滴產(chǎn)生熱輻射作用，引起熔滴溫度的變化，改變?nèi)鄣伪砻鎻埩?，從而影響熔滴過渡行為。 由圖3（a）看出，上一個(gè)熔滴過渡周期結(jié)束，新的熔滴開始生成。 由圖3（b）、3（c）看出，隨著電流電壓持續(xù)加熱焊絲，熔滴體積不斷增加，熔滴近似球狀。 隨著時(shí)間的推移，熱源持續(xù)作用， 熔滴體積繼續(xù)增大， 熔滴重量不斷增加。 由圖3 （d）看出，當(dāng)熔滴的重力大于阻礙熔滴脫離焊絲的表面張力等阻礙時(shí)， 熔滴與焊絲連接的部分開始變細(xì)，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。 由圖3（e）、3（f）看出，熱源繼續(xù)加載，熔滴重力繼續(xù)增加，頸縮現(xiàn)象越來越明顯， 最終熔滴脫離焊絲進(jìn)入熔池中，此時(shí)一個(gè)熔滴過渡周期完成。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于激光功率較大或光絲間距較小時(shí)，激光對(duì)焊絲以及熔池的影響比較大，因而強(qiáng)烈干擾熔滴的過渡行為。 圖4 為高速攝像機(jī)拍攝的激光-電弧復(fù)合焊熔滴過渡行為。 由圖4（a）看出，由于熔滴生長(zhǎng)階段重力大于阻礙力，熔滴與焊絲連接位置出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。 由圖4 （b）看出，熔滴即將脫離焊絲時(shí)受激光的干擾阻礙作用出現(xiàn)破裂，產(chǎn)生大量飛濺。大熔滴在進(jìn)入熔池時(shí)也會(huì)產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，這是由熔滴沖擊力較大引起的。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊熔滴過渡行為Fig. 4 Behavior of Droplet Transition during Laser-arc Hybrid Welding

激光功率過大或光絲間距較小時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)其它問題，如熔滴過渡時(shí)出現(xiàn)巨型熔滴。激光產(chǎn)生的匙孔內(nèi)部存在大量金屬蒸汽， 金屬蒸汽劇烈生成并快速離開匙孔，對(duì)匙孔上方的熔滴產(chǎn)生阻力，阻止熔滴的脫落，從而使熔滴過渡困難，熔滴需要更大的重力才能完成過渡。 圖5 為激光-電弧復(fù)合焊形成的大熔滴。 圖5 （a）的熔滴寬度大于焊絲直徑，長(zhǎng)度是寬度的兩倍，是一個(gè)典型的大滴，此時(shí)熔滴仍然沒有脫離焊絲。 圖5 （b）示出了熱源繼續(xù)作用，送絲繼續(xù)進(jìn)行，焊絲前端持續(xù)熔化增大熔滴的體積，最終，大熔滴的重力大于熔滴表面張力和匙孔對(duì)熔滴的阻礙力，脫離焊絲并進(jìn)入熔池，產(chǎn)生大量飛濺。

圖5 激光-電弧復(fù)合焊形成的大熔滴Fig. 5 Large Molten Droplet Formed by Laser-arc Hybrid Welding

圖6 為大小熔滴混合過渡。 如圖6 所示，一個(gè)大熔滴過渡周期完成之后， 會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的小熔滴過渡，在較短時(shí)間內(nèi)結(jié)束小熔滴過渡周期后，巨型熔滴繼續(xù)出現(xiàn)，呈現(xiàn)大小熔滴混合現(xiàn)象。巨型熔滴進(jìn)入熔池后，焊絲端接連甩出幾個(gè)小熔滴，第一個(gè)小熔滴還沒有進(jìn)入熔池， 第四個(gè)小熔滴已經(jīng)脫離焊絲。此時(shí)，焊絲前端與熔池之間同時(shí)存在四個(gè)熔滴過渡行為，并接連進(jìn)入熔池，產(chǎn)生大量飛濺。 因此，較小的光絲間距下，復(fù)合焊接過程中激光會(huì)對(duì)熔滴過渡產(chǎn)生干擾，阻礙熔滴過渡。

圖6 大小熔滴混合過渡Fig. 6 Mixed Transition of Large and Small Droplets

2.2 不同激光功率的熔滴過渡

圖7 為不同激光功率的熔滴過渡行為。 如圖7 （a）所示，激光功率為7.0 kW 時(shí)，一個(gè)完整的過渡周期時(shí)長(zhǎng)（T）是6.6 ms。 T=0 ms 時(shí)熔滴開始生成，隨著熱源繼續(xù)作用，焊絲前端不斷熔化，熔滴逐漸長(zhǎng)大。 持續(xù)到T=5.4 ms 時(shí)，熔滴重力大于熔滴表面張力和金屬蒸汽對(duì)熔滴的阻礙，熔滴與焊絲連接位置出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。隨后熔滴脫離焊絲，T=6.6 ms時(shí)進(jìn)入熔池，一個(gè)完整的熔滴過渡周期完成。 如圖7 （b）所示，激光功率為7.5 kW 時(shí)，一個(gè)完整的過渡周期時(shí)長(zhǎng)5.8 ms。 與激光功率7.0 kW 相比，該功率過渡周期更短，T=4.7 ms 時(shí)產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象，T=5.8 ms 時(shí)熔滴進(jìn)入熔池。 如圖7 （c）所示，激光功率為8.0 kW 時(shí)， 一個(gè)完整的熔滴過渡周期時(shí)長(zhǎng)是4.9 ms，T=4 ms 時(shí)熔滴產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象。激光功率為7.0～8.0 kW 時(shí)都是典型的滴狀過渡。

圖7 不同激光功率的熔滴過渡行為Fig. 7 Behaviors of Droplet Transition with Different Laser Powers

隨著激光功率的增大， 一個(gè)完整的熔滴過渡周期時(shí)間在縮短，熔滴過渡頻率增加。 同時(shí)，增大激光功率，熔滴的尺寸在逐漸減小。這是由于熔滴過渡過程中，熔滴的轉(zhuǎn)移主要受熔滴重力、熔滴表面張力和熔池金屬蒸汽的影響，重力是向下的力，表面張力和熔池金屬蒸汽的合力對(duì)熔滴的作用方向與重力相反。 熔滴只有長(zhǎng)大到重力可以克服影響轉(zhuǎn)移的阻力時(shí)才能發(fā)生熔滴過渡現(xiàn)象。 激光光致等離子體通過被熔滴吸收，升高熔滴的溫度，加大熔滴表面物質(zhì)的流動(dòng)速度， 減小熔滴的表面張力。隨著激光功率增大，產(chǎn)生的激光光致等離子體密度增大，熔滴吸收的能量增多，熔滴表面張力持續(xù)減小。因此，增加激光功率可以減小影響熔滴過渡的阻礙力，使熔滴過渡行為更容易進(jìn)行。

2.3 熔滴沖擊力的影響

焊接過程中， 焊絲吸收足夠能量后熔化為熔滴。 隨著時(shí)間的推移，熔滴越來越大，當(dāng)熔滴的重力大于其表面張力時(shí)，熔滴脫離焊絲進(jìn)入熔池中。高速下落的熔滴會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊，影響熔池的流動(dòng)，進(jìn)而影響焊縫的成形。圖8 為熔滴對(duì)熔池形狀的影響。

圖8 熔滴對(duì)熔池形狀的影響Fig. 8 Effect of Droplets on Shape of Molten Pool

觀察圖8 （a）、8（b）發(fā)現(xiàn)，有熔滴過渡的焊接熔池寬度大于沒有熔滴過渡的焊接。 觀察圖8 （c）、8（d）發(fā)現(xiàn)，有熔滴過渡的焊接熔池深度大于沒有熔滴過渡的焊接，此外有熔滴過渡的焊接焊縫的余高更高。綜上所述，熔滴可以有效提高熔池寬度，深度以及焊縫余高。這是由于熔滴過渡時(shí)會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生沖擊力，在沖擊力作用下熔池內(nèi)液態(tài)金屬更容易完成傳質(zhì)和傳熱， 將熱量轉(zhuǎn)移到熔池邊緣和底部，增加熔池的寬度和深度，同時(shí)，沖擊力將熔池中心的熔體擠向四周，增加焊縫的余高。

2.4 熔滴對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖9 為熔滴對(duì)熔池溫度分布的影響。

圖9 熔滴對(duì)熔池溫度分布的影響Fig. 9 Effect of Droplets on Temperature Distribution in Molten Pool

選取圖9（a）熔池上表面垂直于焊縫的路徑LA和焊接方向焊縫中心的路徑LB 上的20 個(gè)點(diǎn)，測(cè)量其溫度分布情況，比較不同條件下同一點(diǎn)的溫度變化。 由圖9（c）可以看出，最高溫度位于熔池中心，無熔滴焊接時(shí)，熔池中心的最高溫度高于有熔滴焊接時(shí)，但是無熔滴焊接時(shí)，熔池附近溫度曲線比有熔滴焊接時(shí)更加陡峭，溫度梯度更高，熔池寬度比有熔滴焊接時(shí)更小。這是由于熔滴過渡沖擊熔池上表面， 導(dǎo)致熔池上表面熔體流動(dòng)更加活躍，熔池中心的熱量更容易轉(zhuǎn)移到熔池邊緣和熔池深處，造成熔池中心溫度降低，溫度梯度減小，熔池寬度和深度增加。由圖9 （d）可以看出，激光輻射位置最高溫度遠(yuǎn)高于電弧輻射位置最高溫度。熔滴對(duì)激光輻射區(qū)域影響很小，對(duì)電弧區(qū)域影響較大， 可以有效增加熔池長(zhǎng)度。 由此認(rèn)為，存在熔滴過渡時(shí)的焊接效果更佳。

2.5 熔滴對(duì)流場(chǎng)分布的影響

圖10 為熔池上表面流場(chǎng)分布。

圖10 熔池上表面流場(chǎng)分布Fig. 10 Flow Field Distribution on Upper Surface of Molten Pool

存在熔滴過渡行為時(shí)， 復(fù)合熔池的長(zhǎng)度和寬度均有所增大， 這是由于熔滴進(jìn)入熔池時(shí)會(huì)對(duì)熔池施加一個(gè)沖擊力， 增加了熔池內(nèi)熔體流動(dòng)與傳熱。分析圖10 （a）發(fā)現(xiàn)，有熔滴過渡的焊接熔池在熔滴進(jìn)入熔池的瞬間， 熔池上表面處最大的流動(dòng)速度在熔池中心，為0.77 m/s。 分析圖10 （b）發(fā)現(xiàn)， 沒有熔滴過渡的焊接熔池上表面處最大的流動(dòng)速度在熔池邊緣，為0.38 m/s。 這是由于沒有熔滴過渡時(shí)， 熔池上表面溫度梯度最大處在熔池邊緣， 由溫度差異引起的馬蘭戈尼力主要影響這次熔池邊緣的流動(dòng)情況。存在熔滴過渡時(shí)，進(jìn)入熔池的熔滴對(duì)熔池施加了沖擊力， 熔滴沖擊力大于熔池邊緣的馬蘭戈尼力，因此對(duì)熔池的影響更大。

圖11 為熔池縱截面流場(chǎng)分布。

圖11 熔池縱截面流場(chǎng)分布Fig. 11 Flow Field Distribution in Longitudinal Section of Molten Pool

由圖11 看出，存在熔滴過渡行為時(shí)，電弧區(qū)深度和復(fù)合熔池的深度均有所增大， 這是由于熔滴進(jìn)入熔池時(shí)會(huì)對(duì)熔池施加一個(gè)向下的沖擊力，增加了熔池內(nèi)熔體向下流動(dòng)的趨勢(shì)。此外，存在熔滴過渡時(shí)，熔滴沖擊熔池中心，熔池中心往下凹進(jìn)去，引起熔池邊緣的熔化金屬增加，導(dǎo)致焊縫余高變大。 沒有熔滴過渡的焊接，熔池表面比較平坦，沒有大的起伏，焊縫余高較小。由圖11（a）看出，熔滴過渡瞬間，熔滴速度約為3.09 m/s。 熔池縱截面上，熔池中心的流動(dòng)速度最大，約為2.82 m/s。 由圖11（b）看出，沒有熔滴過渡的焊接熔池，在熔池縱截面上，熔池底部流速受匙孔影響，匙孔底部流動(dòng)速度可達(dá)約0.76 m/s。 這是由于沒有熔滴過渡時(shí)， 熔池縱截面流速比較平緩， 高能量密度的激光輻射引起匙孔的生成，產(chǎn)生大量金屬蒸汽，對(duì)匙孔施加反沖壓力， 既保證了匙孔的穩(wěn)定性又增加了匙孔底部熔體流速，進(jìn)而增大熔池深度。

3 結(jié)論

（1） 激光功率過大或光絲間距過小時(shí)，熔滴出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象， 即將脫離焊絲進(jìn)入熔池時(shí)受激光的干擾阻礙作用，熔滴出現(xiàn)破裂并造成飛濺。

（2） 熔滴過渡受金屬蒸氣反沖壓力抑制，致使大熔滴出現(xiàn)。 過大的激光功率使得匙孔內(nèi)部生成大量金屬蒸汽， 向上快速離開匙孔的金屬蒸汽阻礙了熔滴脫離焊絲， 導(dǎo)致熔滴積聚長(zhǎng)大直至獲得完成過渡所需重力。

（3） 適當(dāng)增加激光功率，可降低熔滴表面張力，增加熔滴過渡頻率，減小熔滴尺寸。激光功率從7.0 kW 增加至8.0 kW 過程中，熔滴表面物質(zhì)流動(dòng)速度隨溫度升高而增加，完整熔滴過渡周期由6.6 ms 減至4.9 ms，熔滴形成時(shí)間的縮短導(dǎo)致過渡尺寸的減小。

（4） 熔滴沖擊熔池，可促進(jìn)熔池流動(dòng)與傳熱。熔池上表面受到?jīng)_擊后， 熔體流動(dòng)最大速度由0.38 m/s 增加至0.77 m/s，使熔池中心熱流轉(zhuǎn)移到熔池邊緣和熔池深處，降低熔池中心溫度。

致謝

海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室（SKLMEA-K201906），上海市III 類高峰學(xué)科-材料科學(xué)與工程（高能束智能加工與綠色制造）。