激光-GMAW復(fù)合熱源焊接熔池-小孔行為分析.pdf

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1、。。。。rMa。帥。激光加工激光一GMAW復(fù)合熱源焊接熔池一小孔行為分析術(shù)張皓庭，武傳松(山東大學(xué)材料連接技術(shù)研究所，濟(jì)南250061)[摘要】掌握和深入理解激光一GMAW復(fù)合熱源焊接過程中的熔池與小孔行為，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合熱源焊接工藝參數(shù)優(yōu)化并將其應(yīng)用于實(shí)際工程的前提。綜合考慮激光和電弧的熱一力作用以及熔滴過渡帶入熔池的質(zhì)量、熱量和動(dòng)量，建立了激光一GMAW復(fù)合熱源焊接過程的數(shù)值分析模型。定量分析了復(fù)合熱源焊接過程中熔池流體流動(dòng)與傳熱過程以及小孔的動(dòng)態(tài)行為。數(shù)值分析結(jié)果表明，小孔壁面上各種力相互作用和影響，在小孔

2、前／后壁上會(huì)周期性地出現(xiàn)微小凸臺(tái)，小孔孔道處于短暫瞬間閉合與重新張開的瞬時(shí)演變狀態(tài)。熔滴沖擊造成的熔池凹陷與小孔周期性合并與分離，加劇了小孔的不穩(wěn)定性。熔池內(nèi)形成兩個(gè)方向相反的渦流，并在電弧下方附近發(fā)生交匯。關(guān)鍵詞：復(fù)合熱源焊接；激光；GMAW；熔池；小孔；流場DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．19．045張皓庭山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士，現(xiàn)就職于舍弗勒(中國)有限公司。主要從事焊接工作。+基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EEM002)。激光一GMAW復(fù)

3、合熱源焊接，將激光焊和GMAW工藝的優(yōu)點(diǎn)集成于一體并克服彼此的缺點(diǎn)，通過電弧與激光相互作用的協(xié)同效應(yīng)，產(chǎn)生“1+1>2”的工藝效果。復(fù)合熱源焊接為高性能金屬材料的優(yōu)質(zhì)、高效焊接制造開辟了一條新的路徑[1-210復(fù)合熱源焊接過程中l(wèi)J,：fL與熔池的動(dòng)態(tài)行為，決定了焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫的質(zhì)量。因此，建立復(fù)合熱源焊接的數(shù)理模型，通過數(shù)值模擬的方法定量分析焊接過程中熔池與小孑L的動(dòng)態(tài)演變過程，對(duì)于優(yōu)化工藝參數(shù)、深人理解復(fù)合熱源焊接的工藝機(jī)理有著重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。近年來，國內(nèi)外研究者在深入理解激光一GM

4、AW復(fù)合熱源焊接工藝機(jī)制方面開展了一些研究。胥國祥等【3。51通過建立組合式體積熱源模型，對(duì)復(fù)合熱源焊接溫度場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，可以預(yù)測不同焊接工藝條件下的焊縫形狀與尺寸。但沒有考慮熔池內(nèi)的流體流動(dòng)和IJ,孑L的動(dòng)態(tài)行為。Zhou和Tsai【61建立了一個(gè)復(fù)合熱源焊接模型，考慮了流體流動(dòng)、壓力平衡、激光多次反射以及熔池表面變形等因素，將蒸發(fā)反作用力視為維持II,孑L的主要?jiǎng)恿Γ捎糜谀M小孔的形成與閉合過程以及焊接的溫度場流場的變化。但模型認(rèn)為小孔內(nèi)壓強(qiáng)為常數(shù)并近似為大氣壓強(qiáng)，因此只適用于小功率激光的焊接。Ch

5、o和Na口】通過考慮壓力平衡、Fresnel吸收、激光的多次反射等因素，建立了激光+GMAW復(fù)合焊接的數(shù)理模型，利用Flow一3D商業(yè)軟件以及VOF界面追蹤法模擬熔池一tb：fL的動(dòng)態(tài)演變。但是計(jì)算過程中忽略了激光和電弧之間的相互作用影響，計(jì)算時(shí)間也很長(計(jì)算2s焊接過程需要328h)。Zhang等【8l通過預(yù)設(shè)小孑L的方法模擬復(fù)合熱源溫度場流場的變化，但沒有考慮熔滴過渡，無法預(yù)測焊縫余高2016年第19期·航空制造技術(shù)45髭論壇和焊道的形成。總體來看，目前國內(nèi)外焊接工作者對(duì)于復(fù)合熱源焊接工藝方面的研究較多，

6、對(duì)于其機(jī)理的探索和揭示還不夠深入19-10]。本文分析復(fù)合熱源焊接過程中激光、電弧以及熔滴各自的熱一力作用特點(diǎn)，建立相應(yīng)的激光,'bZYL模型、電弧模型以及熔滴模型。考慮電弧與激光之間的相互影響，建立激光一GMAW復(fù)合熱源焊接熔池與4,：fL行為的耦合模型，研究小孔形成、長大以及維持的過程，分析影響小孔穩(wěn)定性的因素，揭示熔池流場以及溫度場的分布規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)激光一GMAW復(fù)合熱源焊接工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。模型的建立激光一GMAW復(fù)合熱源焊接是一個(gè)涉及對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射、熔化、凝固、蒸發(fā)以及流體流動(dòng)的極其

7、復(fù)雜的物理過程。如圖1所示，復(fù)合熱源焊接過程中，激光和電弧同時(shí)作用在工件上，母材發(fā)生熔化形成熔池，熔池通過不斷與激光和電弧熱交換而逐漸長大。熔池前部激光作用區(qū)域由于激光能量密度很大，金屬迅速氣化而形成一個(gè)反向的沖擊壓力即蒸發(fā)反力，熔池在蒸發(fā)反力的作用下克服了表面張力以及流體靜壓力的作用而形成小孔。d,：fL后部熔池在電弧壓力和熔滴周期性沖擊力作用下表面發(fā)生變形，熔池尾部堆積隆起，冷卻后形成焊縫余高。激光和電弧主要以熱輻射和熱傳導(dǎo)方式將熱量傳，怛籮圖1激光一GMAW復(fù)合熱源焊接示意圖Fig．1Schematic

8、oflaser-GMAWhybridwelding46航空制造技術(shù)·2016年第19期遞給熔池。熔池內(nèi)部液態(tài)金屬劇烈運(yùn)動(dòng)，熱傳輸主要以熱對(duì)流為主。當(dāng)熔池向周圍環(huán)境的輻射、對(duì)流散熱以及熔池向工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)同激光和電弧的熱輸入達(dá)到平衡時(shí)，熔池的尺寸達(dá)到最大，熔池的各種幾何參數(shù)趨于穩(wěn)定，也就是常說的“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。為建立數(shù)理模型，采取如下的簡化假設(shè)：(1)工件為不可壓縮的牛頓流體，熔池流動(dòng)為層流；(2)在熔