激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

2022-11-24龙伟民张永振

电焊机 2022年5期

关键词：熔池液态气泡

彭进，龙伟民，张永振

1.中机智能装备创新研究院（宁波）有限公司，浙江宁波 315700

2.河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南洛阳 471023

3.华北水利水电大学，河南郑州 450045

0 前言

大功率激光制造是一种以“光能源”和“光工具”作为材料加工手段的先进技术，能够很好地解决不同材料的加工、成形和精炼等问题，被称为21世纪的绿色制造技术［1］。焊接是制造业的基础工艺，在经济建设中发挥着重要作用［2］。激光焊接作为特种焊接，具有能量密度高、焊接变形小、焊接精度高、焊接接头质量与电子束焊接相差不大但不产生X射线等突出优点［2-4］，广泛应用于航空航天、汽车制造、电力电子、船舶等领域［5-7］。

激光焊接常见的焊接缺陷有气孔、咬边、焊接变形等，而熔池的动态行为对焊接缺陷的形成有直接影响。对于熔池内部的动态行为，国内外主要采用实时监测和数值模拟的方法进行研究和分析。日本大阪大学在实时监测熔池内部动态行为研究方面具有代表性。随着计算机技术的发展，激光焊接熔池行为的数值模拟技术得到了长足发展。通过数值模拟，可提前预测并采取相应措施减少焊接缺陷的形成，这将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。

文中对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术，如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括。

1 激光深熔焊熔池动态行为数值模拟

激光深熔焊接以在热源下方熔池内部存在匙孔为主要特征，也被称为匙孔模式激光焊接，整个焊接过程涉及的物理现象包括：激光材料交互、热传导、熔化、蒸发、羽辉形成、流体流动和自由表面形成等。在激光深熔焊熔池行为的数值模拟方面，Han等［8］通过建立的激光焊接模型分析了焊接驱动力的影响，发现反冲压力在焊接过程中有明显作用，当不加载反冲压力时，熔池中无法生成匙孔。Zhang等［9］建立了10 mm厚度钢板激光全熔透焊接模型，发现在全熔透焊接中，熔池下表面可能比上表面更长、更不稳定。全熔透过程中，激光的一部分能量通过匙孔直接从底部射出而不与液态金属接触，这与非熔透焊的激光能量作用机制有很大区别，熔池瞬态流场是反冲压力与表面张力共同作用的结果，熔池波动周期约8 ms。

Rai［10-13］建立了激光焊接热流耦合模型，设定熔池表面为平面，匙孔处于准稳态，匙孔壁面的温度为母材的沸点温度。指出由于表面张力与温度有直接关系，熔池表面的温度梯度越大则表面张力梯度越大，熔池表面的流动方向为由匙孔开口处向熔池边缘流动，进而增大了熔池宽度和熔池长度。Ye等［14］建立了激光全熔透焊接传热和流动的三维模型，发现除了焊接速度外，Marangoni对流对工件温度分布和熔池熔体流动也起着至关重要的作用，即使是薄板的全熔透焊接也不容忽视。Ribic等［15］研究了表面活性元素在激光深熔焊中的作用，发现表面活性元素会影响表面张力梯度的大小和方向，进而引起Marangoni对流的变化，当表面活性元素含量增大到一定程度，则会改变熔池表面的流动方向（熔池液态金属由熔池边缘流向匙孔），进而缩小熔池的尺寸。

Chang等［16］建立了钛合金全熔透激光焊接模型，发现对于较低功率、较低速度的焊接过程，匙孔后面的流体流动是湍流和不稳定的，形成涡流；对于更高功率、更高速度的焊接过程，流体流动湍流特性减弱，并且不会形成涡流。Sohail等［17］研究了激光焊接20 mm厚钢板时热输入对熔池流场的影响，发现焊接速度会影响熔池尺寸，激光功率越高熔池涡流越明显，这是因为在较高的热输入作用下，匙孔吸收的激光能量增多，熔池的体积增多，熔池底部的流体流动趋势增强。

Wang等［18］通过建立的热源模型发现涡流存在于熔池顶部和底部表面，涡流的存在有利于热传递和熔池的形成，匙孔的形貌与激光功率、焊接速度有关。当焊接速度增加，匙孔前壁倾斜角度增大。Geiger等［19］建立的激光焊接模型中考虑了菲涅尔吸收、蒸气压力、表面张力、熔化和蒸发焓以及由于材料蒸发造成的能量损失，发现激光焊接镀锌板过程中，液态金属沿匙孔前壁向下流动，匙孔的直径尺寸出现周期性的变化。熔池中流体最高速度（约为0.5 m/s）出现在匙孔前壁的区域，在匙孔壁后部，熔体流动速度显著降低。Zhao等［20］建立的模型考虑了等离子体、液态金属、固态金属的三种相，发现匙孔壁前方的液态金属通过匙孔底部流向匙孔后方，熔池顶部的液态金属从高温区域流向低温区域，随着焊接时间的进行匙孔是不断波动的，当匙孔深度突然降低，则在熔池底部形成焊接气泡，这也是气孔缺陷形成的主要原因，随着激光持续照射进匙孔，匙孔深度变大。

Li［21］和 Lu［22］等在模型中引入了凝固模型和气泡模型，研究了T型接头匙孔型气孔的形成过程，发现匙孔的不稳定性和熔池流动的复杂性导致了匙孔的倒塌以及气泡的形成。熔池中不同部位的气泡的移动轨迹不同，气泡的移动主要受周围流体及浮力的影响，一些气泡移动过程中与其他气泡合并。T型接头的间隙由0 mm变为0.6 mm，焊缝气孔率增大，当T型接头的间隙变为1 mm时，焊缝气孔率较低，这主要是由于在间隙附近匙孔保持张开的状态。

Amara［23］、Zhang［24］等在模型中引入惰性气体喷吹在熔池上方，模型考虑了熔池金属蒸汽与液态金属的相互作用以及熔池液态金属与空气的相互作用，通过在熔池上方吹入惰性气体可提高熔池金属的流动行为进而得到质量较好的焊接接头。喷射的气流不仅推动熔融金属向熔池后方流动，同时在熔池表面形成适当的压力有助于维持匙孔上部出口周围的凹面。在喷射气流的情况下推动匙孔开口上方周围隆起的液态金属向熔池后方流动，有利于扩大匙孔开口尺寸，维持匙孔的稳定性。

通过对以上文献的分析可知，对于激光深熔焊熔池动态行为的数值模拟，目前主要集中在对焊接驱动力（表面张力、反冲压力等）、焊接参数（焊接速度、激光功率等）、外部条件（表面活性元素、惰性气体喷吹在熔池上方）对熔池流动、匙孔稳定性的影响，以及匙孔失稳与焊缝气孔率的关系。研究相对全面，有利于后期激光深熔焊接实验工作的开展。

2 双束激光焊接熔池动态行为数值模拟

在双束激光焊接熔池行为的数值模拟方面，Pang等［25］建立了双光束激光焊接模型，发现当以串行排布模式进行双束激光焊接时，沿焊接方向后一束激光形成的匙孔深度大于前一束激光形成的匙孔深度，这主要是由于前束激光的预热效应造成的。在相同的焊接热输入条件下，与单束激光焊接相比，双束串行激光焊接熔池会产生较小的湍流流动。陈伟东等［26］建立了并行双束激光焊接模型，并对其匙孔行为进行研究，发现提高焊接速度，匙孔深度减小，同时匙孔形貌的波动行为减弱；随着双光束激光斑点距离的增大，匙孔深度减小，匙孔开口尺寸增大，当双束激光光斑距离过大时，则在熔池中出现两个独立的匙孔，这对焊接过程也会产生很大程度的影响。

Yang等［27-30］建立了T型接头双侧激光焊接模型，发现T型接头双侧激光焊接过程中存在能量耦合的情况，熔池最大长度位于双束激光的交汇部位，匙孔底部出现涡流流动行为，而且在匙孔上方存在对流。T型接头双侧激光束是否贯通以及是否同步焊接对熔池流动行为影响较大，这将影响焊接气泡的逃逸行为。当保持T型接头双侧匙孔贯通、同步焊接时有利于焊接气泡逃逸出熔池，提高焊接速度同样有利于焊接气泡逃逸出熔池。

通过对以上双束激光焊接熔池动态行为数值模拟的分析，发现与单束激光焊接相比，双束激光焊接有利于提高匙孔、熔池的稳定性。笔者认为，考虑到双束激光焊接的优势，后期可以将双束激光焊接模型引入单束激光焊接过程容易产生焊接缺陷的“特殊工件”中（如异型接头等），以期揭示其提高焊接稳定性的机理。

3 真空激光焊接熔池动态行为数值模拟

在真空激光焊接熔池动态行为数值模拟方面，Pang及Fabbro等［31-33］建立了真空环境激光焊接热源模型，研究发现相同工艺参数下真空环境激光焊接熔深明显大于大气环境下的激光焊接熔深，这主要是真空环境下材料的沸点温度降低导致的。随着焊接速度的增加，匙孔前壁平均温度逐渐升高，而且与大气环境相比，在真空环境下匙孔前壁温度增加的幅度明显较大。

Tang等［34］建立了真空环境铝合金激光焊接的三维数学模型，发现在较低的环境压力下，激光能量在匙孔壁上分布更均匀，产生气泡的可能性较小。环境压力也会影响熔池的形状和大小以及气泡移动的距离，进一步影响气泡能否逃逸出熔池。

Li等［35］建立了真空环境激光焊接数学模型，发现在真空环境下，匙孔的尺寸变大而且匙孔壁面的凸起现象减弱，熔池内部漩涡流动现象减弱，匙孔壁的液态金属流动速度变快，这是由于真空环境下母材金属蒸发速率提升导致的。

通过对以上文献的分析可知，真空环境激光焊接可提高匙孔的稳定性、改变熔池的流动。但模型中没有考虑匙孔内部金属蒸汽的可压缩动力学，以及其与匙孔内壁间相互作用。在后期的研究中，可编制相应的程序导入数值模拟软件中，研究匙孔内部金属蒸汽与匙孔内壁间相互作用机理。

4 磁场作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟

在磁场作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟方面，Zhou等［36］建立了磁场作用下的脉冲激光焊接模型，研究电磁场对瞬态熔池金属流动、匙孔动态行为、气孔形成的影响。研究发现，气孔的形成与液态金属的凝固速度、回填速度有关。如果匙孔上方的液态金属回填速度不够快，不能及时到达匙孔底部，则容易产生气孔缺陷。在激光焊接过程中，通过施加电磁场可在匙孔倒塌时提高液态金属的回填速度，进而降低焊缝气孔缺陷。

Chen等［37-40］研究了磁场作用下的铝合金激光全熔透的热电电流和热电磁效应，发现热电电流密度在熔池达到稳定前处于持续波动状态。在磁场作用下，随着磁通密度从0 mT增加到238 mT，铝合金焊缝的成形质量得到提高，尤其是焊缝表面宽度明显减小。当外加的磁场由200 mT增至500 mT时，将减弱热毛细对流效应，有利于改变焊缝形貌。

Bachmann等［41-45］建立了电磁场作用下的激光焊接三维热流耦合模型，模型中考虑了热毛细对流、自然对流、相变潜热的情况，发现在铝合金激光焊接过程中，沿焊接方向在横向磁场作用下，熔池底部的液态金属流动速度明显降低，并且由于熔池流体的作用使热量沿焊缝横向传递，这样焊缝呈现V形的趋势增强。

综上可知，磁场能够影响熔池流动行为、抑制缺陷，进而提升焊缝性能。后期可通过编制程序建立宏微观耦合的多尺度仿真模型，模拟磁场对全尺寸熔池凝固过程行为的影响，进一步揭示磁场影响下的熔池流动、组织演变的相关性。

5 液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟

在液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟方面，Rao等［46］指出，激光-GMAW复合焊接时，当焊丝熔化的液态熔滴滴入熔池时，熔滴所携带的热能和动能进入熔池中，会造成熔滴进入熔池的接触面区域温度升高，熔池获得了额外的热量，其凝固速度将降低。Gao等［47］建立了激光-MIG复合焊接模型，考虑了反冲压力、电磁力等焊接作用力的影响，发现激光焊接反冲压力以及焊丝熔化后的熔滴滴入熔池均会造成焊缝熔深的增加。

Wu等［48］通过建立的激光-MIG复合焊接模型，发现复合焊接过程中匙孔的形成分为三个阶段：初始状态的稳定阶段、匙孔快速扩展阶段以及熔池匙孔振荡/动态稳定阶段。Cho、Na等［49-50］建立了激光-GMA复合焊接三维模型，引入了电磁力、表面张力以及电弧力，通过光线追踪技术实现了激光能量在匙孔壁面的多次反射。研究发现，在焊丝熔化后以液态熔滴方式进入熔池过程中，匙孔出现了张开和闭合情况，在反冲压力的作用下匙孔底部的金属向下流动，当流动到熔池底部的固/液界面时，则向熔池后方流动，在浮力作用下产生向上的流动趋势，最终在匙孔后方产生一个流动漩涡，此时熔池内部流动行为较为复杂。Cho、Na等［51］建立了激光-GMA复合焊接合金元素分布模型，发现焊缝上部的Cr/Ni含量较多，且比较均匀，这是由于在匙孔后方存在顺时针的流动漩涡，流动漩涡的作用有利于合金元素的均匀分布。

Peng等［52］建立了熔滴填充作用下的激光焊接热流耦合模型，研究发现，当熔滴填充进入熔池时，由于熔滴距离匙孔较近容易造成对匙孔的冲击，影响匙孔的稳定性。熔滴填充也会对熔池流动速度产生影响，熔滴进入熔池过程中匙孔底部的流体流动速度变大。

通过对以上文献的分析可知，液态金属进入熔池会对匙孔、熔池造成一定程度的冲击，影响焊接的稳定性。但液态金属进入熔池并与其进行传热传质，同样会影响合金元素在焊缝的分布。后期可编制相应程序，与合金元素分布和组织演变相结合，进一步揭示对焊缝质量影响的机理。