保護(hù)氣體對(duì)接頭形貌及熔滴過渡的影響與模擬

汝連志，劉鳳德,劉雙宇,張 宏，白 頔

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022)

引 言

激光-電弧復(fù)合焊接由STEEN[1]最早提出并受到高度關(guān)注，在焊接領(lǐng)域中，一直是研究的熱門技術(shù)之一[2-4],繼而在工業(yè)領(lǐng)域推廣運(yùn)用，并不斷進(jìn)行深入研究與創(chuàng)新，使復(fù)合焊接技術(shù)到達(dá)更高水平[5-6]。焊接過程中，保護(hù)氣體是影響工藝特性的關(guān)鍵因素。HONG[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)氣體是通過抑制和消除光致等離子體的屏蔽效應(yīng)，達(dá)到激光深熔焊的效果，提高焊接工藝穩(wěn)定性。FAN[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中較高的溫度作用下，金屬熔化蒸發(fā)形成大量等離子體，以及保護(hù)氣體被電離擊穿，形成燃燒波等離子體，對(duì)激光產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。保護(hù)氣體不僅能消除等離子體屏蔽作用，還能防止在高溫條件下焊接熔池被氧化或污染[9]。LI[10]等人研究復(fù)合焊接發(fā)現(xiàn)，有大量的電子通過電弧等離子體進(jìn)入到激光等離子體，對(duì)激光逆韌致效應(yīng)起到增強(qiáng)作用，而激光等離子體被增強(qiáng)和大量擴(kuò)散，使其導(dǎo)電通道變寬。XIAO[11]等人研究發(fā)現(xiàn)，等離子體對(duì)臨界功率密度的屏蔽作用，受到輔助氣體的導(dǎo)熱性和解離能的影響，且在聚焦?fàn)顟B(tài)下等離子體高度越低，越不易出現(xiàn)等離子體的屏蔽現(xiàn)象[12]?，F(xiàn)有研究中對(duì)于保護(hù)氣體控制的研究相對(duì)有限。本文中重點(diǎn)研究了保護(hù)氣體的氣流量對(duì)高強(qiáng)鋼激光-電弧復(fù)合焊接焊縫形貌的影響，并討論了保護(hù)氣體流量對(duì)熔滴過渡動(dòng)態(tài)行為的影響，以及采用FLUENT軟件對(duì)氣流量對(duì)焊縫形貌影響的機(jī)制進(jìn)行仿真模擬。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用5mm厚的高強(qiáng)鋼樣板，進(jìn)行平板堆焊，其主要化學(xué)成分見表1。焊絲直徑Φ=1.2mm。

Table 1 Main chemical composition of high strength steel

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

設(shè)備采用Rofin公司的CO2激光器和Panasonic YD-350AG2HGE型焊機(jī)進(jìn)行旁軸復(fù)合。利用CMOS-CR5000×2型高速相機(jī)觀測(cè)熔滴形態(tài)的變化，并采集熔滴區(qū)圖像，其采樣頻率為4000frame/s。依據(jù)所采集到的熔滴圖像，分析氣流量對(duì)熔滴形態(tài)的影響。其復(fù)合焊接示意圖如圖1所示。圖中,q是保護(hù)氣體流量，v1是保護(hù)氣體流速，Φ1和Φ2分別是噴嘴的內(nèi)外徑。

Fig.1 Schematic diagram of hybrid welding

試驗(yàn)中采用電弧在前、激光在后的焊接模式，激光束離焦量Δf=-1mm，熱源間距DLA=2mm，焊槍傾角α=65°。保護(hù)氣體為不同流量的He(體積分?jǐn)?shù)為0.35)+Ar(體積分?jǐn)?shù)為0.65)。氣體流量的主要工藝參量見表2。

Table 2 Main process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣體流量對(duì)焊縫形貌的影響

圖2為焊接熔深隨氣體流量變化的曲線圖。從圖中可以看出，氣體流量越大，焊縫熔深呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)氣體流量達(dá)到25L/min時(shí)，焊縫熔深最大。

Fig.2 Effect of protective gas flow on weld penetration of hybrid welding

當(dāng)保護(hù)氣體流量過小時(shí)，不能對(duì)熔池形成有效保護(hù)，由于等離子體吸收部分激光能量，導(dǎo)致焊縫熔深較小。當(dāng)保護(hù)氣體流量達(dá)到25L/min時(shí)，熔深最大。在氣流量作用下，等離子體對(duì)激光屏蔽作用得到有效抑制，使焊件吸收大量激光能量。保護(hù)氣體流量過大時(shí)，氣體流動(dòng)狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎译娀⊥Χ容^小，對(duì)等離子體的抑制和消除作用減弱，從而導(dǎo)致焊縫熔深減小[7]。

圖3為不同氣體流量下，焊縫的表面形貌。從圖中可以看出，隨氣體流量的增加，焊縫的表面鋪展性逐漸變好。當(dāng)氣體流量為25L/min時(shí)，焊縫較平整且飛濺較少；當(dāng)氣體流量高于25L/min時(shí)，焊縫表面飛濺嚴(yán)重。

Fig.3 Surface morphology of the joint

飛濺是焊接過程中較為常見的一種缺陷。隨著氣體流量的增大，導(dǎo)致等離子體對(duì)熔滴端部的機(jī)械沖擊力增大，且斑點(diǎn)壓力增大，造成顆粒飛濺。

2.2 氣體流量對(duì)熔滴形態(tài)的影響

圖4為氣體流量15L/min時(shí)熔滴的瞬態(tài)形貌。此時(shí)熔滴過渡方式為顆粒過渡。從圖中可以看出，熔滴的周期較短，且熔滴尺寸較小。主要是由于金屬表面熔化形成熔池時(shí)，激光作用產(chǎn)生匙孔時(shí)的蒸氣反作用力阻礙熔滴的過渡。因保護(hù)氣體流量較小，對(duì)等離子體對(duì)激光的屏蔽作用起不到較好的抑制與消除作用，導(dǎo)致阻礙熔滴過渡的蒸氣反作用力不穩(wěn)定，而產(chǎn)生顆粒過渡，使焊縫表面成形不良。

Fig.4 Droplet transient morphology with protective gas flow of 15L/min

圖5是氣體流量為25L/min時(shí)的熔滴瞬態(tài)形貌。從圖中可以看出，熔滴過渡方式為射流過渡，且熔滴的尺寸增大，熔滴過渡的周期變長(zhǎng)。

Fig.5 Droplet transient morphology with protective gas flow of 25L/min

射流過渡是復(fù)合焊接中理想的過渡模式，是因?yàn)樯淞鬟^渡時(shí)能夠獲得表面平整的焊縫，且熔深大。保護(hù)氣體流量能有效地減輕等離子體對(duì)激光的抑制作用，有大量的能量到達(dá)金屬表面；因較大氣流量的作用，使熔滴受到離子流的沖擊力，則熔滴對(duì)熔池產(chǎn)生較大的沖擊力，更多能量到達(dá)熔池底部[13]。

圖6是氣體流量為35L/min時(shí)熔滴過渡的瞬態(tài)形貌。從圖中可以看出，熔滴過渡的方式為短路過渡，且熔滴過渡的周期變長(zhǎng)，當(dāng)熔滴與熔池接觸時(shí)，會(huì)突然變暗后變亮。

Fig.6 Droplet transient morphology with protective gas flow of 35L/min

由于氣體流量較大，在熔池上方會(huì)產(chǎn)生較大的等離子體流力，與表面張力共同阻礙熔滴脫落，使熔滴尺寸增大到焊絲直徑的1.5倍左右。熔滴端部與熔池接觸，且在電磁收縮力的作用下實(shí)現(xiàn)過渡，過渡過程不穩(wěn)定，工件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的飛濺[14]。主要是因?yàn)槔^續(xù)增大氣體流量，熔滴過渡模式為明顯的短路過渡，聚集成大熔滴脫離焊絲瞬間極易爆炸形成飛濺，使焊接工藝的穩(wěn)定性下降[15]。

2.3 氣體流量對(duì)熔滴過渡頻率的影響

圖7為氣體流量對(duì)熔滴過渡頻率的影響。從圖中可以看出，激光電弧復(fù)合焊接的熔滴過渡頻率隨著保護(hù)氣體流量的增大而減小。當(dāng)氣體流量較低時(shí)，熔滴的過渡頻率不穩(wěn)定；氣體流量為25L/min時(shí)，熔滴為射流過渡，且過渡頻率較為穩(wěn)定。

Fig.7 Effect of protective gas flow on droplet transition frequency

保護(hù)氣體流量的增加改變了熔滴的受力情況以及過渡模式，從而引起熔滴長(zhǎng)大周期發(fā)生變化，直接導(dǎo)致熔滴過渡特性發(fā)生變化。

熔滴過渡過程中，在氣體流量的作用下，熔滴受阻礙其過渡的反作用力(離子流沖擊力和金屬蒸氣的反沖力)影響，氣體流量越大，反作用力越大，斑點(diǎn)力越大[16]。同時(shí)在熔滴內(nèi)產(chǎn)生阻礙其過渡的電磁收縮力[17]。根據(jù)靜力平衡理論，當(dāng)保護(hù)氣體流量較小時(shí)，阻礙熔滴過渡的力小，熔滴脫落時(shí)所需要的重力就會(huì)相應(yīng)減小，熔滴脫落的尺寸較小，熔滴過渡頻率大；反之，隨保護(hù)氣體流量增大，阻礙熔滴分離的反作用力就越大，熔滴在脫落時(shí)的尺寸增大，熔滴過渡頻率減小[18]。

3 復(fù)合焊接氣體流量作用的模擬分析

根據(jù)流體力學(xué)原理，采用FLUENT軟件對(duì)氣體流量進(jìn)行模擬仿真，其主要目的是通過模擬結(jié)果確定保護(hù)氣體的作用范圍、對(duì)等離子體的作用以及對(duì)熔滴的受力情況。

Fig.8 Simulation of gas flow at different flow rates

圖8是不同氣體流量作用下的模擬云圖。從圖8可以看出,隨著氣體流量的改變，氣體到達(dá)工件表面的速度分布就會(huì)不同，且氣體流量越大，氣體噴射到工件表面的速度越大。從云圖分布可以看出，保護(hù)氣體到達(dá)焊縫中心的速度最大，越遠(yuǎn)離焊縫中心，其速度越小，且隨氣體流量的增大，保護(hù)氣體作用的范圍減小 。保護(hù)氣體流量是通過影響等離子體進(jìn)而影響熔滴過渡特性以及焊縫的形貌。

圖8a中氣體流量為15L/min?？梢钥闯?，保護(hù)氣體噴射到工件表面時(shí)，作用的范圍較大，形成良好的保護(hù)焊道，且給焊道提供優(yōu)良的冷卻條件，有利于焊縫成形。但氣體流速較低，氣體的流層挺度較低，導(dǎo)致保護(hù)氣體對(duì)激光等離子體的抑制效應(yīng)降低，使較少的激光能量達(dá)到焊接工件表面，從而導(dǎo)致母材金屬蒸發(fā)不完全，最終導(dǎo)致熔深較小。

圖8c中氣體流量為25L/min。此時(shí)保護(hù)氣體流速最高達(dá)到5.31m/s，有效地抑制了激光等離子體的膨脹，增大了對(duì)熔池的吹力，促進(jìn)熔池的流動(dòng)，使焊接熔深達(dá)到最大。根據(jù)靜力平衡理論，熔滴受重力、電磁力、等離子體流拉力以及表面張力的影響。當(dāng)焊縫中心處的保護(hù)氣體流速達(dá)到5.31m/s時(shí)，等離子體流拉力較大，熔滴過渡的特性為射流過渡，會(huì)使焊接較穩(wěn)定，焊縫鋪展性較好。

圖8e是氣體流量為35L/min時(shí)保護(hù)氣體流速的模擬云圖。圖中保護(hù)氣體流速最大為7.434m/s，且保護(hù)氣體在工件表面的保護(hù)范圍較小，導(dǎo)致焊道冷卻效果較差。由于保護(hù)氣體的流速過大，使等離子體流拉力較大，但金屬蒸汽形成的氣體射流對(duì)熔滴的反作用力更大，使熔滴受力不平衡，由于熔滴過渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡，熔滴過渡不穩(wěn)定，導(dǎo)致復(fù)合焊接不穩(wěn)定[19]。同時(shí)因?yàn)樵龃罅巳鄣芜^渡周期，熔滴的尺寸也增大，使熔滴過渡頻率降低。

4 結(jié) 論

(1)隨著保護(hù)氣體流量的增大，焊縫熔深先增大后減小。當(dāng)保護(hù)氣體流量為25L/min時(shí)，焊接熔深達(dá)到最大，焊縫成形較好，飛濺較少。

(2)不同的氣體流量，熔滴過渡的特征呈現(xiàn)不同的形式。當(dāng)氣體流量為15L/min時(shí)，熔滴過渡方式為顆粒過渡；當(dāng)氣體流量為25L/min時(shí)，為射流過渡；當(dāng)氣體流量高于30L/min時(shí)，為短路過渡。

(3)隨著氣體流量的增大，熔滴過渡頻率會(huì)降低。氣體流量為25L/min時(shí)，熔滴的過渡頻率較為穩(wěn)定;氣體流量小于20L/min時(shí)，過渡頻率下降的趨勢(shì)較劇烈。

(4)數(shù)值模擬氣體流量，氣體流量越大，保護(hù)氣體流速越大，對(duì)熔池的吹力越大，會(huì)促進(jìn)熔池的流動(dòng)。當(dāng)氣體流量為25L/min時(shí)，保護(hù)氣體會(huì)有效抑制等離子體。

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