孫小峰，范喜祥，占小紅，康 悅

（1.中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436；2.中航飛機(jī)股份有限公司模具鍛鑄廠，西安 700089；3.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106）

鋁鋰合金以超高的比強(qiáng)度，成為理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料，在減重、長(zhǎng)壽命、高服役性能等要求越來越高的現(xiàn)代航空航天器制造領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景[1-6]。隨著激光器的日新月異，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率不斷提升，激光深熔焊技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車、軌道交通等重要工業(yè)領(lǐng)域[7]。在鋁合金結(jié)構(gòu)件連接領(lǐng)域，激光深熔焊接將提供更優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量、更高的工作效率。

激光深熔焊接過程中，在足夠高的功率密度光束照射下，材料中產(chǎn)生蒸發(fā)形成匙孔。匙孔內(nèi)的熱量從高溫匙孔外壁傳遞出來，使匙孔周圍金屬熔化，形成熔池。其工作原理如圖1所示。

激光深熔焊具有熱源集中、焊接速度快、被焊接工件的熱變形較小、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。鋁合金線膨脹系數(shù)大，且對(duì)激光表面初始反射率極高，焊接過程中需要較大的激光功率形成熔池，工件易產(chǎn)生焊接變形。激光深熔焊間隙適應(yīng)性小，對(duì)鋁合金工件的裝配精度要求高。鋁合金激光深熔焊接技術(shù)在焊接質(zhì)量、效率、自動(dòng)化等方面已超越了傳統(tǒng)鉚接工藝。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)避免激光焊接鋁合金焊縫缺陷[8-9]做了大量研究。本文主要針對(duì)2060新型鋁鋰合金材料開展激光深熔焊熔池流動(dòng)的研究。

激光深熔焊接過程中，匙孔壁受力復(fù)雜，會(huì)造成熔池形貌不穩(wěn)定，影響焊縫成形，因而會(huì)導(dǎo)致焊縫質(zhì)量及性能下降[10-14]。采用試驗(yàn)方法很難確定焊接過程中熔池的溫度分布和熔池流動(dòng)的形態(tài)。因此,采用數(shù)值模擬方法分析不同工藝參數(shù)下激光深熔焊接過程中的熔池形貌和焊縫成形之間的關(guān)系。

模型的建立

圖1 激光深熔焊原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser deep fusion welding

本文針對(duì)鋁鋰合金薄板焊接的特性，重點(diǎn)研究不同焊接工藝參數(shù)對(duì)熔池形成過程的影響。基于適當(dāng)假設(shè)，并進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立鋁鋰合金激光深熔焊接二維仿真模型。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，充分考慮模型計(jì)算的合理性，本文對(duì)該模型做出如下假設(shè)：

（1）不考慮熔池中氣體間和氣體與熔池間的化學(xué)反應(yīng)；

（2）在焊接過程中熔化狀態(tài)的母材為粘性的不可壓縮流體，并以層流方式流動(dòng)；

（3）焊接過程中熔池中產(chǎn)生的小孔關(guān)于焊縫中心對(duì)稱；

（4）不考慮等離子體對(duì)焊接過程的影響。

（5）假設(shè)焊接材料為各向同性。

1 自由界面追蹤理論

在利用Fluent仿真模擬過程中使用多項(xiàng)流模型中的VOF模型來追蹤自由表面。軟件中所用VOF方程為：

式中，fi表示結(jié)構(gòu)中定義為i相所占的體積分?jǐn)?shù)，若fi=0，則表示結(jié)構(gòu)中不存在i相，同理，fi=1表示結(jié)構(gòu)中都為i相，0

在激光深熔焊接過程中，固相、液相和氣相的體積分?jǐn)?shù)之和為1，即：

式中，fs、fl、fg分別為液相、固相、氣相體積分?jǐn)?shù)。在固相區(qū)fs=1；在固液界面處0< fl<1， 0< fs<1；在液相區(qū)fl=1，在氣液界面處 0< fg<1，0< fl<1 ；在氣相區(qū)fg=1。

2 熱源模型

焊接熱源模型是進(jìn)行準(zhǔn)確焊接數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。在激光深熔焊接過程中，根據(jù)激光熱源的特征采用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型，并通過函數(shù)使其深度進(jìn)行自適應(yīng)，熱源模型如圖2所示[15-16]。同時(shí)，前文涉及的自適應(yīng)模型深度H是與焊接小孔深度有關(guān)的函數(shù)，此處對(duì)實(shí)際過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，計(jì)算過程中使其初始深度為0.0005m并采用冒泡法使其隨著小孔深度的增加而不斷增大。

式中，H（t）= f（h（t）），

式中，h（t）為小孔深度，η為激光效率，P 為激光功率。

3 幾何模型

本文使用的流場(chǎng)網(wǎng)格模型尺寸是4mm×4mm的二維網(wǎng)格模型，每條邊界上共200個(gè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)40000個(gè)網(wǎng)格，模型的上邊界為速度進(jìn)口，速度進(jìn)口的空氣流量（即保護(hù)氣體流量）設(shè)為2m/s，側(cè)面設(shè)為壓力出口；下半部分的3個(gè)邊界都設(shè)為“wall”，表示材料邊界。工作溫度設(shè)為298K，換熱系數(shù)設(shè)為2（圖3）。

圖2 高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型Fig.2 Gaussian rotor body heat source model

圖3 網(wǎng)格模型及邊界Fig.3 Grid model and boundary

圖4 初始化結(jié)果Fig.4 Initializing results

在Fluent主程序中通過加載UDF的形式將初始化代碼應(yīng)用于以上網(wǎng)格模型，初始化的結(jié)果如圖4所示，模型上半部分呈藍(lán)色為空氣相，模型下半部分呈紅色為鋁鋰合金相，中間為分界面即為焊接熱源作用線，同時(shí)也是焊接熱源的路徑。焊接熱源選用自適應(yīng)高斯旋轉(zhuǎn)體熱源，激光功率為2500W，焊接速度0.01433m/s。

試驗(yàn)驗(yàn)證與模型校驗(yàn)

薄板鋁鋰合金激光深熔焊試驗(yàn)采用碟片激光器（TruDisk 4001），試驗(yàn)材料選用牌號(hào)為2060鋁鋰合金薄板，主要化學(xué)成分如表1所示，合金工件尺寸為100mm×20mm×2mm。正交試驗(yàn)參數(shù)方案設(shè)計(jì)如表2所示，在整個(gè)焊接過程中離焦量保持0不變。

焊接試驗(yàn)之前先用砂輪對(duì)焊接區(qū)域表面的氧化膜進(jìn)行清理，再用銑床對(duì)鋁鋰合金邊緣進(jìn)行銑削，并用清潔劑丙酮擦洗待焊試樣表面，自然風(fēng)干。本試驗(yàn)采用定位精度較高的機(jī)床，試驗(yàn)采用Ar作為保護(hù)氣體，氣流量設(shè)定為15L/min。對(duì)易受力變形的部位采用點(diǎn)裝夾，圖5和圖6為裝夾裝置原理示意圖及設(shè)備圖，裝夾完畢后，打開保護(hù)氣體開始焊接。

試驗(yàn)對(duì)照組焊縫宏觀形貌用相機(jī)拍攝，特用粗線標(biāo)出熔合線部分能夠直觀表達(dá)出焊縫的宏觀形貌（圖7）?？梢钥闯黾す夤β试龃竽艽龠M(jìn)熔深，焊接速度增加會(huì)降低熔深，且熔寬增加。

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)焊縫的上下熔寬進(jìn)行測(cè)量并制成折線圖，進(jìn)而能夠直觀地觀察焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫宏觀形貌的影響。在測(cè)量的基礎(chǔ)之上，將上下熔寬繪制成直觀的折線圖，如圖8所示。

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增加激光功率和減小焊接速度均可增大熔寬。同時(shí)，在2300W對(duì)照組中出現(xiàn)了未焊透缺陷，可以認(rèn)為激光功率對(duì)熔寬的影響更大，大功率下薄板鋁合金焊縫的熔寬比小功率激光焊接顯著減小。

圖9為不同參數(shù)下校核熱源模型焊縫截面與實(shí)際金相的對(duì)照?qǐng)D，其中圖9（a）焊接速度為2.6m/min，圖9（b）焊接速度為2m/min。根據(jù)實(shí)際激光焊接工藝參數(shù)和焊縫金相圖，實(shí)際工件經(jīng)過金相檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到的熔寬分別為2.85mm和3.72mm。將模擬軟件進(jìn)行熱源校核，模擬得到的激光焊接焊縫截面圖，可得出焊縫熔寬分別為2.91mm和3.75mm。對(duì)比可得試驗(yàn)與模擬得到的2060鋁合金激光焊焊縫熔寬值相差較小。從模擬和實(shí)際焊接試驗(yàn)中得到的焊縫形貌一致，且在模擬圖中能直觀地看出焊接過程中，焊接速度較小的試驗(yàn)板材熔化的區(qū)域變得更加寬闊。

表1 2060鋁合金主要成分

表2 激光深熔焊試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)方案

圖5 試驗(yàn)裝夾裝置原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of test clamping device

圖6 試驗(yàn)裝夾裝置設(shè)備Fig.6 Test fixture device

圖7 焊縫宏觀形貌圖Fig.7 Weld macroscopic topography

不同焊接參數(shù)對(duì)流場(chǎng)形態(tài)的影響

1 激光功率對(duì)流場(chǎng)形態(tài)影響

圖8 不同功率下焊縫熔寬折線圖Fig.8 Width of the weld under different power

圖9 模擬熔池與焊接熔池對(duì)比Fig.9 Simulation of molten pool and welding pool comparison

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)考慮的激光功率參數(shù)分別為2500W及2300W，在過程中保持焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)保持不變，對(duì)比不同工藝參數(shù)下所得到的焊縫質(zhì)量，找出激光功率對(duì)焊縫熔池形成以及焊縫成型和最終焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。

在模擬過程中，所選用的焊接速度為2m/min，焊接功率分別為2300W和2500W，其結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

如圖12所示，選自激光功率在2300W的條件下，焊接時(shí)間為40ms時(shí)焊縫熔池的形貌，試樣未焊透。激光束在試樣中形成封閉的匙孔空間，金屬蒸汽在封閉的空間中，對(duì)周圍熔化的金屬壁進(jìn)行力的作用，目的是拓展匙孔空間，由于激光底部是封閉空間，因此，力沿匙孔壁的方向向上，主要作用于匙孔上部，將匙孔擴(kuò)大，在氣相與固相的分界面處，液態(tài)堆積層增高。

如圖13所示，選自激光功率在2500W的條件下，焊接時(shí)間為40ms時(shí)焊縫熔池的形貌?？梢钥闯?，鋁鋰合金在更高功率的2500W下已經(jīng)被焊穿，同時(shí)在較高的功率下焊縫熔池變得相對(duì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生一定的波動(dòng)。而在2300W的焊接條件下其分界面處的液態(tài)堆積層相對(duì)于2500W時(shí)要高，這是因?yàn)樵?500W的條件下板材被貫穿導(dǎo)致熔池塌陷進(jìn)而使液態(tài)堆積層下降，并在后期的焊接步態(tài)中逐步達(dá)成穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。

結(jié)合前面所提及的模擬熔池，可以綜合分析得出：較大的激光功率下，熔池形成速度將會(huì)加快，但隨之帶來的是熔池?cái)U(kuò)展的不穩(wěn)定和流動(dòng)的紊亂，進(jìn)一步影響焊縫在凝固時(shí)結(jié)晶的大小和分布情況，最后對(duì)焊縫組織造成影響并影響到焊接接頭質(zhì)量。

2 焊接速度對(duì)流場(chǎng)形態(tài)影響

在焊接過程中設(shè)定除焊接速度以外其他工藝參數(shù)如激光功率、離焦量等保持不變，對(duì)比不同焊接速度條件下的焊接結(jié)果和仿真模擬結(jié)果進(jìn)而得出焊接速度對(duì)熔池流場(chǎng)的影響機(jī)理。

圖10 激光功率2300W時(shí)焊縫熔池模擬圖Fig.10 Welding pool simulation map at laser power of 2300W

圖11 激光功率2500W時(shí)焊縫熔池模擬圖Fig.11 Welding pool simulation map at laser power of 2500W

圖12 未焊透試樣焊接過程熔池形貌成形原理圖Fig.12 Design of molten pool shape in welding process without solder penetration

圖13 焊穿試樣焊接過程熔池形貌成形原理圖Fig.13 Design of molten pool shape during welding process

圖14 焊接速度為2m/min時(shí)熔池模擬圖Fig.14 Welding pool simulation map at speed of 2m/min

圖15 焊接速度為2.6m/min時(shí)熔池模擬圖Fig.15 Welding pool simulation map at speed of 2.6m/min

圖14、15分別為兩種焊接參數(shù)下所得到的結(jié)果，其中圖14中焊接速度為2m/min，圖15中焊接速度為2.6m/min。選取自焊接時(shí)間為20ms時(shí)，從對(duì)比圖中可以看出焊接速度相對(duì)較大的模擬結(jié)果所呈現(xiàn)的熔池形貌相對(duì)紊亂，同時(shí)熔池小孔的深度也不如焊接速度較慢的對(duì)照組。這是由于熱輸入量大，導(dǎo)致熔池流動(dòng)加快，且熔深增加。進(jìn)而可以得出適宜的焊接速度使熔池小孔成形更好，使整個(gè)焊接過程熔池更加穩(wěn)定。

結(jié)論

通過對(duì)2060鋁鋰合金薄板激光焊接不同工藝參數(shù)的流場(chǎng)形貌的試驗(yàn)?zāi)M及分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)熔池流場(chǎng)形貌的模擬，對(duì)比模擬與試驗(yàn)結(jié)果，可以得到熔池流場(chǎng)形貌對(duì)焊縫成形的影響，從而完善焊接工藝，優(yōu)化焊縫質(zhì)量。

（2）激光功率對(duì)2060鋁合金平板對(duì)接的熔池形貌影響較大。激光功率小，熔池流場(chǎng)形態(tài)呈底部圓滑的“釘形”，空間較小，熔池流場(chǎng)不穩(wěn)定，熔池與空氣的分界面處液態(tài)對(duì)基層過高，且出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象；激光功率增大，焊縫熔深增加，“釘形”底部變尖，熔池空間擴(kuò)大，流場(chǎng)相對(duì)較穩(wěn)定，熔池形貌良好。

（3）焊接速度相對(duì)較小的情況下熔寬會(huì)增加，然而焊接速度較大，熔池形貌相對(duì)紊亂。適當(dāng)選取激光功率和焊接速度可令熔池小孔成型良好，使整個(gè)焊接過程中熔池更穩(wěn)定，避免焊接缺陷的產(chǎn)生，得到成形良好的焊縫，提高焊縫質(zhì)量。

（4）控制并選取適當(dāng)激光功率與焊接速度，使焊接熔池流動(dòng)穩(wěn)定，成形良好，有利于提高焊縫質(zhì)量。

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