304不銹鋼激光焊接匙孔瞬態(tài)行為分析*

馮燕柱，高向東，彭 聰，張艷喜，桂曉燕，游德勇

（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006）

0 引 言

激光焊接是現(xiàn)今最受矚目和最具有發(fā)展前景的先進(jìn)加工技術(shù)之一[1]。在激光焊接過(guò)程中，匙孔穩(wěn)定是保證高質(zhì)量激光焊接的關(guān)鍵[2]。因此，研究匙孔行為已成為激光焊接領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

許多學(xué)者采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光焊接過(guò)程對(duì)金屬蒸汽和匙孔行為等進(jìn)行試驗(yàn)研究，并取得重要研究成果[3-4]。然而，依靠監(jiān)測(cè)設(shè)備難以準(zhǔn)確觀察焊件內(nèi)部復(fù)雜的匙孔行為。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法得到推廣[5-6]，許多學(xué)者借助數(shù)值模擬方法解析焊接過(guò)程物理現(xiàn)象[7-9]。目前，焊接數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用的熱源模型主要有體熱源和光線追蹤熱源[10-13]。光線追蹤熱源更加準(zhǔn)確地描述激光在匙孔內(nèi)部的吸收情況。針對(duì)大功率激光深熔焊接，研究者采用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源+雙橢球熱源對(duì)316不銹鋼激光深熔焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析匙孔動(dòng)態(tài)行為，發(fā)現(xiàn)后匙孔壁的收縮和凸起是匙孔入口周期性變化的關(guān)鍵因素[14]。采用光線追蹤熱源，并通過(guò)Level Set法追蹤匙孔自由表面，可建立考慮環(huán)境壓力的激光深熔焊接三維模型，表明環(huán)境壓力影響匙孔壁溫度[15]。

為了研究負(fù)壓環(huán)境下鋁合金激光焊接匙孔行為，研究者采用旋轉(zhuǎn)高斯體熱源對(duì)此過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，發(fā)現(xiàn)負(fù)壓環(huán)境下鋁合金激光焊接過(guò)程中匙孔更加穩(wěn)定[16]。雖然目前對(duì)激光焊接匙孔行為已有大量的研究，但基于數(shù)值模擬對(duì)304不銹鋼激光焊接匙孔瞬態(tài)行為特征信息的相關(guān)研究相對(duì)較少。

本研究基于流體力學(xué)基本方程組，采用有限體積離散方法、VOF跟蹤算法和光線追蹤熱源數(shù)值模擬304不銹鋼激光焊接復(fù)雜過(guò)程，并利用焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果。

1 數(shù)學(xué)模型

激光焊接過(guò)程的計(jì)算域如圖1所示。

圖1 激光焊接過(guò)程的計(jì)算域

由圖1可知：整個(gè)計(jì)算區(qū)域由空氣區(qū)和304不銹鋼材料區(qū)域組成。筆者采用VOF算法跟蹤氣液之間的自由界面演變。

1.1 模型條件

（1）熔融金屬為不可壓縮的牛頓流體，流動(dòng)狀態(tài)為層流；（2）空氣與液態(tài)金屬之間的自由界面由VOF方程控制，流體之間不相互滲透；（3）焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡內(nèi)部氣體為理想氣體，忽略氣體與熔融金屬之間熱量傳輸和質(zhì)量交換。

模擬焊接材料304不銹鋼的熱物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 304不銹鋼熱物理性能參數(shù)

試驗(yàn)的激光焊接功率為2 000 W，焊接速度為25 mm/s，離焦量為0，保護(hù)氣體為氬氣，流量為20 L/min。

1.2 控制方程

由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和VOF方程控制整個(gè)計(jì)算區(qū)域的流動(dòng)與傳熱，具體方程組[17]為:

▽·v+Sm=0

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：v—速度；Sm—質(zhì)量源；t—時(shí)間；ρ—密度；P—壓力；μ—粘度；K1—阻力系數(shù)；PR—反沖壓力；n—自由面單位法向量；β—熱膨脹率；g—重力加速度；T—溫度；Tm—材料熔點(diǎn)溫度；h—焓；k—熱傳導(dǎo)率；SE—能量源；F—體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)控制方程進(jìn)行求解，其中，反沖壓力（PR）和能量源（SE）通過(guò)二次開(kāi)發(fā)以源項(xiàng)形式給出。反沖壓力（PR）采用文獻(xiàn)[17]的模型，具體表達(dá)為:

（5）

式中：P0—環(huán)境壓強(qiáng)；Lv—蒸發(fā)潛熱；Tb—材料沸點(diǎn)溫度；R—?dú)怏w常數(shù)。

能量項(xiàng)（SE）選用光線追蹤熱源，光線追蹤熱源充分考慮激光在匙孔內(nèi)多重反射菲涅爾吸收機(jī)制[18]。

1.3 邊界條件

根據(jù)圖1，將上表面ADHE和下表面BCGF設(shè)為壓力出口條件，其他4個(gè)表面設(shè)為連續(xù)性條件。

（1）匙孔表面的散熱方式有對(duì)流、輻射和蒸發(fā)潛熱，根據(jù)文獻(xiàn)[17]能量守恒方程為:

（6）

式中：qL—激光熱流密度；h—對(duì)流傳熱系數(shù)；T0—環(huán)境溫度；εr—輻射系數(shù)；σ—玻爾茲曼常數(shù)；Qe—總蒸發(fā)潛熱。

（2）依據(jù)文獻(xiàn)[17]匙孔表面的壓力平衡方程為:

P=K2γ+PR

（7）

式中：K2—匙孔表面曲率；γ—表面張力系數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算與驗(yàn)證

所建立的計(jì)算區(qū)域單元格類型為六面體單元格，大小為0.2 mm，單元格的總數(shù)為589 681個(gè)，計(jì)算步長(zhǎng)隨計(jì)算穩(wěn)定性變化，模擬時(shí)間t=500 ms，每隔1 ms提取各個(gè)變量狀態(tài)結(jié)果。

為檢驗(yàn)計(jì)算模型結(jié)果的正確性，進(jìn)行304不銹鋼激光焊接工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)使用光纖激光器的波長(zhǎng)為1.07 μm，最大輸出功率4 kW，連續(xù)輸出，焦半徑234 μm，焦距300 mm。

試驗(yàn)使用材料及激光焊接工藝參數(shù)與模擬時(shí)所用參數(shù)嚴(yán)格一致。采用線切割對(duì)焊后工件進(jìn)行切割，獲取10 mm×10 mm的樣件。對(duì)樣件焊縫區(qū)進(jìn)行磨削、拋光、腐蝕，最后使用光學(xué)顯微鏡獲取焊縫橫截面形貌圖像，和將數(shù)值模擬得到焊縫形貌與試驗(yàn)焊縫橫截面形貌進(jìn)行對(duì)比間接驗(yàn)證所建立的模型，如圖2所示。

圖2 焊接試驗(yàn)與模擬的焊縫橫截面形貌結(jié)果

由圖2可以看出：二者吻合較好，說(shuō)明該計(jì)算模型能夠反映激光焊接過(guò)程。

匙孔特征信息如圖3所示。

圖3 匙孔特征

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 焊縫縱截面上匙孔特征信息分析

筆者每隔1 ms獲取計(jì)算域縱截面上模擬結(jié)果圖像，共500幅。對(duì)模擬結(jié)果圖像進(jìn)行剪切，選取匙孔部分作為研究對(duì)象，提取圖3（a）中的匙孔特征信息。

焊縫縱截面上匙孔深度D和面積S1隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 焊縫縱截面上匙孔特征

從圖4可以看出:縱截面上匙孔深度先是急劇增加至2 mm，然后在0.5 mm～3 mm區(qū)域間來(lái)回振蕩，保持在某個(gè)值附近的時(shí)間極短，周期性不明顯，匙孔的最大深度為3.2 mm與焊件熔深接近。這說(shuō)明激光焊接過(guò)程中匙孔在極短時(shí)間內(nèi)形成，匙孔經(jīng)歷了形成—坍塌—再形成的過(guò)程，并重復(fù)該過(guò)程，每個(gè)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)度不相等。這個(gè)過(guò)程是由于激光焊接過(guò)程中，密度極高的等離子體增加激光能量的損耗，使工件吸收能量減少，匙孔開(kāi)始坍塌，同時(shí)等離子體作用開(kāi)始減弱，工件吸收能量開(kāi)始增加，匙孔再次形成。

由圖4還可看出：縱截面上匙孔面積隨時(shí)間變化規(guī)律與匙孔深度的變化大體一致，但匙孔面積變化幅度比匙孔深度要大，并存在奇異點(diǎn)（如圖4（b）上M和N點(diǎn)），M和N點(diǎn)的匙孔深度并沒(méi)有比周圍點(diǎn)大很多。

M（t=140 ms）與N（t=418 ms）點(diǎn)及其相鄰時(shí)間點(diǎn)的匙孔演變過(guò)程如圖5所示（圖中箭頭代表熔融金屬流速大小與方向）。

圖5 M與N點(diǎn)及其相鄰時(shí)間點(diǎn)匙孔演變

由圖5可知：M前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)（t=139 ms）和N前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)（t=417 ms）匙孔的左下方存在氣泡，匙孔與氣泡之間夾著少量液態(tài)金屬，在反沖壓力作用下該液態(tài)金屬向下流動(dòng)。激光焊接過(guò)程中，由于熔池內(nèi)部流體劇烈流動(dòng)與整個(gè)匙孔不穩(wěn)定造成匙孔坍塌從而形成氣泡。

由圖5還可知：匙孔與氣泡間的液態(tài)金屬向下流動(dòng)速度大于熔池上方液態(tài)金屬往下流的速度，所以在M（t=140 ms）和N（t=418 ms）點(diǎn)時(shí)氣泡破裂，匙孔與氣泡連通，匙孔面積瞬間增大。焊縫縱截面上匙孔面積的奇異點(diǎn)是由于氣泡破裂使得匙孔面積增大，氣泡影響匙孔瞬態(tài)行為。

3.2 焊件上表面匙孔特征信息分析

筆者每隔1 ms獲取計(jì)算域焊件上表面模擬結(jié)果圖像，共500幅。對(duì)模擬結(jié)果圖像進(jìn)行剪切，選取匙孔區(qū)域作為研究對(duì)象，提取圖3（b）中的匙孔特征信息。

焊件上表面匙孔面積S2、寬度W與長(zhǎng)度L隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 焊件上表面匙孔特征

由圖6（a）可知：焊件上表面匙孔面積先增加后振蕩變化，變化幅度大；圖6（b）可以看出：焊件上表面匙孔寬度變化幅度小，而匙孔長(zhǎng)度變化范圍相對(duì)大；焊件上表面匙孔面積、匙孔寬度與匙孔長(zhǎng)度隨時(shí)間變化趨勢(shì)大致相同，但匙孔面積和匙孔長(zhǎng)度變化規(guī)律更接近。匙孔周圍除了后面其余各面熔化金屬比較少，流動(dòng)范圍小，所以匙孔寬度變化幅度小。

因?yàn)槊娣e等于長(zhǎng)度與寬度的乘積，匙孔寬度變化小，匙孔面積變化主要受匙孔長(zhǎng)度變化影響。匙孔長(zhǎng)度變化幅度大是匙孔后壁傾角θ變化的結(jié)果。

筆者選取圖6（b）中匙孔長(zhǎng)度的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)縱截面上模擬結(jié)果，其匙孔后壁傾角變化如圖7所示（圖中箭頭代表熔融金屬流速大小與方向）。

圖7 匙孔后壁傾角變化

由圖7可知：匙孔后壁傾角是不固定的，傾角越大匙孔開(kāi)口長(zhǎng)度即匙孔長(zhǎng)度越大。在表面張力梯度作用下，匙孔后壁上方熔化金屬往后或者左下方流動(dòng)，使得匙孔后壁傾角增大。

圖7（c）匙孔后壁上方熔化金屬往后或者左下方流速比圖7（a）的大，所以導(dǎo)致圖7（c）匙孔后壁傾角比圖7（a）的大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用有限體積離散方法、VOF跟蹤算法和光線追蹤熱源數(shù)值模擬了304不銹鋼激光焊接復(fù)雜過(guò)程，并利用焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。主要結(jié)論如下：

（1）匙孔瞬態(tài)行為受氣泡影響。當(dāng)匙孔與氣泡間的液態(tài)金屬向下流動(dòng)速度大于熔池上部液態(tài)金屬往下流速時(shí)，氣泡破裂，匙孔縱截面上面積增大，匙孔瞬態(tài)行為受到影響；

（2）匙孔長(zhǎng)度變化幅度大是匙孔后壁傾角變化的結(jié)果。在表面張力梯度作用下，匙孔后壁上方熔化金屬往后或者左下方流動(dòng)，使得匙孔后壁傾角增大，匙孔長(zhǎng)度變長(zhǎng)；

（3）匙孔深度與匙孔縱截面上面積都振蕩變化，變化趨勢(shì)一致，但面積變化幅度大。匙孔開(kāi)口面積和匙孔長(zhǎng)度變化幅度大，匙孔寬度變化相對(duì)小，匙孔開(kāi)口面積與匙孔長(zhǎng)度變化規(guī)律相似。