活性激光焊接304不銹鋼溫度場(chǎng)的數(shù)值與試驗(yàn)研究

梅麗芳，秦建紅，嚴(yán)東兵

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門361024；2.福建省客車先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門361024）

引 言

活性激光焊接是在試樣表面涂敷一層具有特殊化學(xué)成分的活性劑，通過(guò)一定的焊接規(guī)范達(dá)到改善焊接缺陷、提高焊接效率［1-2］。近幾年，把激光與活性焊接技術(shù)結(jié)合從而將活性焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)引入激光焊接，成為世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展的一種新型焊接前沿技術(shù)［3］。

目前，活性激光焊接在國(guó)內(nèi)外均已初步取得一些進(jìn)展，主要是特定條件下開展的一些初步理論探索和工藝試驗(yàn)研究。由現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，活性劑會(huì)對(duì)激光能量的吸收、等離子體的密度、熔池的流動(dòng)狀態(tài)等產(chǎn)生一定的影響［4-5］。而在焊接過(guò)程中激光能量、等離子體及熔池的變化均會(huì)影響到熔池溫度場(chǎng)［6］。目前，針對(duì)活性激光焊接熔池溫度變化特性的研究主要是關(guān)于活性激光焊接薄板的數(shù)值模擬，對(duì)于焊接難度更大、焊后缺陷更多的中厚板研究較少。

作者在數(shù)值模擬得到活性激光焊接溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)比焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)測(cè)得的熔池溫度，系統(tǒng)分析了活性劑的涂敷對(duì)熔池溫度的影響規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算熔池溫度場(chǎng)的可靠性與準(zhǔn)確性，分析活性劑對(duì)熔池溫度的影響，為活性激光焊接的發(fā)展奠定理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)中選用IPG公司的光纖激光器，型號(hào)為IPGYLS-10000，焊接頭安裝在六自由度機(jī)器人上，并用氬氣保護(hù)焊接熔池。同時(shí)采用FLIR A615紅外熱像儀檢測(cè)焊接過(guò)程中焊縫的溫度變化信號(hào)。熱像儀的分辨率為640pixel×480pixel，最小聚焦距離為0.25m，焦距比數(shù)為1.0，相頻為50Hz。試驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)如圖1所示。

Fig.1 Test platform

試驗(yàn)板材為304不銹鋼，試樣尺寸規(guī)格為100mm×40mm×5mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。活性劑選定 SiO2、TiO2和 NaF 3種 AR（analytical rea-gent）級(jí)分析純粉末。

Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 304 stainless steel

2 試驗(yàn)研究方法

采用紅外熱像儀對(duì)不同活性劑作用下激光焊接試樣的熔池溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)相應(yīng)焊接過(guò)程建立有限元模型，并數(shù)值模擬其焊接溫度場(chǎng)。對(duì)比分析數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，揭示試樣表面活性劑對(duì)激光焊接熔池溫度場(chǎng)的影響。

2.1 試樣熔池溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用兩塊304不銹鋼板材對(duì)接在一起，將試樣對(duì)接端面用精細(xì)銼刀修整至平整光滑，用夾具夾緊?；钚詣┩糠笾羷偤谜谧〔讳P鋼表面金屬光澤。待板材表面活性劑涂層的無(wú)水乙醇揮發(fā)后進(jìn)行焊接試驗(yàn)。同時(shí)，采用紅外熱像儀對(duì)焊接過(guò)程中熔池溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)方案示意圖及試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。通過(guò)正交試驗(yàn)得到一組較優(yōu)的焊接工藝參量，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

Fig.2 Welding diagram and test procedurea—welding diagra—test procedure

Table 2 Welding parameters

2.2 試樣熔池溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.2.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分 建立焊接過(guò)程熱傳導(dǎo)模型。由于焊接過(guò)程中熱源高度集中且快速移動(dòng)，焊縫區(qū)域溫度梯度變化大，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度梯度逐漸減小。因此，劃分網(wǎng)格時(shí)采用非均勻網(wǎng)格，對(duì)焊縫區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密［7］，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。通過(guò)等效法建立活性劑模型，即將活性劑涂層貼合到已建立好的試件模型焊縫處，活性劑厚度為0.1mm，活性劑物理性能參量見表3。溫度場(chǎng)模擬中考慮不銹鋼材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理性能參量隨溫度變化的情況，具體數(shù)據(jù)引用參考文獻(xiàn)［8］中的不銹鋼高溫力學(xué)性能及高溫物理性能指標(biāo)。

2.2.2 邊界條件和熱源 初始條件設(shè)為0℃，選擇高斯熱源模型，通過(guò)轉(zhuǎn)化坐標(biāo)的方式加載在試件模型表面［9］。實(shí)際焊接中，影響因素眾多，為了簡(jiǎn)化模型，不考慮焊接過(guò)程中材料的相變潛熱、汽化與電離，邊界條件只考慮與空氣的輻射和對(duì)流換熱。

Fig.3 Meshing

Table 3 Thermophysical parameters of the active agent

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

由數(shù)值模擬得到的激光焊接結(jié)束時(shí)各試樣上的溫度場(chǎng)分布云圖如圖4所示。由圖可見，焊接溫度場(chǎng)模擬結(jié)果近似為以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓，越靠近激光中心的位置，因受到激光的直接作用，溫度較高，其中，未涂敷活性劑試樣中心最高溫度達(dá)到2179.38℃，涂敷SiO2活性劑試樣中心最高溫度達(dá)到2199.34℃，涂敷TiO2活性劑試樣中心最高溫度達(dá)到2180℃，涂敷NaF活性劑試樣中心最高溫度達(dá)到2069.17℃。偏離激光中心位置的區(qū)域僅靠熱傳導(dǎo)獲得熱量，受激光熱源或活性劑作用的影響較小，因此溫度均較低，且在焊接結(jié)束時(shí)這些試樣上的最低溫度值相差很小。由此可見，活性劑的涂敷未顯著改變激光焊接過(guò)程中試樣上的溫度場(chǎng)分布，但對(duì)試樣熔池區(qū)域的最大溫度值略有影響。圖5為試樣熔池中某一固定點(diǎn)在焊接過(guò)程中的溫度變化曲線。由圖可見，試件在熱源經(jīng)過(guò)時(shí)迅速升溫到達(dá)峰值溫度，熱源離開后，溫度逐漸下降。其中，涂敷SiO2活性劑試樣最先達(dá)到峰值溫度，峰值溫度為2837.65℃；其次未涂敷活性劑試樣達(dá)到峰值溫度，峰值溫度為2631.92℃；最后涂敷TiO2活性劑試樣與涂敷NaF活性劑試樣達(dá)到峰值溫度，他們的峰值溫度分別為2831.73℃和2499.99℃。由結(jié)果可知，活性劑對(duì)熔池溫度變化趨勢(shì)的影響不大，但對(duì)試樣的溫升速率和峰值溫度有一定的影響。其中，涂敷SiO2活性劑試樣的溫升速率最快。此外，與未涂敷活性劑試樣的峰值溫度對(duì)比，涂敷SiO2活性劑和TiO2活性劑會(huì)使峰值溫度升高約8%，涂敷NaF活性劑會(huì)使峰值溫度降低約5%。

Fig.4 Distribution cloud chart of temperaturea—no active agen—SiO2 active agen—TiO2 active agen—NaF active agent field

Fig.5 Temperature curve of fixed point in molten pool

活性劑改變?nèi)鄢販囟鹊臋C(jī)理并非一種。產(chǎn)生差異的原因主要包括3點(diǎn)，一方面活性劑在分子能量方面增大了激光的吸收率，這是因?yàn)榻M成活性劑的元素中，O（氧）、F（氟）在自然界中電負(fù)性最大，Si，Ti則電負(fù)性較小，組成分子元素的電負(fù)性差異越大則分子極性越大，從而對(duì)激光的吸收率較高；另一方面，活性劑顆粒涂層減小了工件表面對(duì)激光的反射和散射［10］；此外，活性原子在激光焊接過(guò)程中因吸附光致等離體中的自由電子而轉(zhuǎn)變成帶負(fù)電的負(fù)粒子，進(jìn)而有效降低了焊接等離子體的電子密度，這在一定程度上削弱了等離子體對(duì)激光束的反射、折射、逆韌致吸收及散射等負(fù)效應(yīng)，從而有效增加了到達(dá)焊接試樣表面的激光功率密度［11-12］?；钚詣┑倪@幾種作用機(jī)制，均可有效提高工件對(duì)激光的吸收率，增加焊縫熱輸入，最終顯著提高升溫速率和峰值溫度。涂敷NaF活性劑并沒(méi)有提高焊接溫度，這是由于焊接過(guò)程的化學(xué)冶金反應(yīng)需要適量的S（硫）、O元素才能與不銹鋼中的合金元素以及雜質(zhì)元素完成氧化反應(yīng)，以達(dá)到增加焊縫熱輸入的目的，涂敷NaF活性劑不僅沒(méi)有這一作用，活性劑還有一定的絕緣層作用，因此焊接溫度會(huì)略微降低［13-14］。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖6為焊接試驗(yàn)結(jié)束時(shí)經(jīng)紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的各試樣上的溫度分布情況。由圖可見，高溫區(qū)集中在焊縫處，溫度分布沿焊接方向遞增，沿焊縫中心向左右兩側(cè)遞減。焊縫上表面的靠近激光光源中心位置的溫度最高。其中，未涂敷活性劑試樣的最高溫度為2018.2℃，涂敷SiO2活性劑試件的最高溫度為2176.2℃，涂敷TiO2活性劑試件的最高溫度為2039.8℃，涂敷NaF活性劑試件的最高溫度為1988.2℃。這是由于激光焊接熱源屬于高能束熱源，激光束的能量輸入、熱傳導(dǎo)、材料的汽化和熔化等均會(huì)影響焊接熔池的溫度變化，活性劑的涂敷改變了焊接傳熱效應(yīng)，從而影響了熔池峰值溫度［15］。圖7為熔池中某一點(diǎn)在各個(gè)試件同一位置的溫度變化曲線。如圖所示，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的溫度曲線的變化趨勢(shì)、峰值溫度以及升溫速率和模擬結(jié)果比較吻合，但兩者仍存在一定差異。試驗(yàn)測(cè)得的無(wú)活性劑試件的峰值溫度為2110.3℃，涂敷SiO2活性劑試件的峰值溫度為2293.01℃且升溫速率最快，涂敷TiO2活性劑試件的峰值溫度為2261.09℃，涂敷NaF活性劑試件的峰值溫度為2007.67℃。與未涂敷活性劑激光焊接試樣相比，涂敷SiO2活性劑使峰值溫度升高約9%，涂敷TiO2活性劑使峰值溫度升高約7%，涂敷NaF活性劑使峰值溫度降低約5%。

Fig.6 Temperature monitoring data resultsa—no active agen—SiO2 active agen—TiO2 active agen—NaF active agent

Fig.7 Test monitoring temperature change curve of selected points on melting pool of each specimen

3.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的擬合對(duì)比

Fig.8 Comparison diagram of temperature change trend between simulation calculation and test monitoring at a certain point on the samplea—no active agen—SiO2 active agen—TiO2 active agent d—NaF active agent

圖8 為各試樣熔池同一位置某一點(diǎn)溫度的模擬計(jì)算與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在峰值溫度附近的擬合對(duì)比情況。由圖8可見，兩者溫度的變化趨勢(shì)大致相似，但升溫速度和峰值溫度略有不同。試驗(yàn)曲線的前半部分升溫速率較為平緩，后半部分升溫速率增大直到達(dá)到峰值溫度；模擬曲線升溫部分的前半段升溫速率與試驗(yàn)曲線相似，升溫部分的后半段則近似垂直于時(shí)間軸，幾乎在熱源到達(dá)選取點(diǎn)瞬間溫度上升至最高值。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的峰值溫度，模擬計(jì)算的未涂敷活性劑試件的峰值溫度約提升了24%，涂敷SiO2活性劑試件的峰值溫度約提高了24%，涂敷TiO2活性劑試件的峰值溫度約提高了25%，涂敷NaF活性劑試件的峰值溫度約提高了25%。這是因?yàn)樵谀M計(jì)算中對(duì)一些復(fù)雜的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化和忽略，例如對(duì)熱源模型及傳熱過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)環(huán)境中不可控因素如空氣流動(dòng)強(qiáng)度、濕度等進(jìn)行忽略。此外，紅外熱像儀與熔池距離的大小也會(huì)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。這些因素均會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的誤差。由擬合結(jié)果基本表明數(shù)值模擬具有一定可靠性。

4 結(jié) 論

（1）基于ANSYS軟件建立了活性激光焊接的3維有限元模型，通過(guò)模擬計(jì)算試樣熔池溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)活性劑涂敷并未對(duì)溫度場(chǎng)分布造成明顯影響，但對(duì)熔池的峰值溫度略有改變。

（2）由紅外熱像儀對(duì)焊接過(guò)程試樣熔池溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，活性劑對(duì)焊接熔池的升溫速率和峰值溫度均有不同程度的影響。其中，SiO2的升溫速率最大。同時(shí)，SiO2和TiO2活性劑使峰值溫度升高約7%～9%，NaF活性劑使峰值溫度降低約5%。

（3）結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的溫度變化趨勢(shì)較相近，考慮模擬計(jì)算對(duì)熱源模型及傳熱過(guò)程的簡(jiǎn)化均會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果的升溫速率加快、峰值溫度更高（約24%～25%），由此可見，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果吻合較好，模擬計(jì)算結(jié)果可靠。