基于計算機的厚壁鋼管激光-電弧復合焊接熔池穩態和動態模擬分析

李東輝，孫君菊

（信陽職業技術學院，河南信陽464000）

基于計算機的厚壁鋼管激光-電弧復合焊接熔池穩態和動態模擬分析

李東輝，孫君菊

（信陽職業技術學院，河南信陽464000）

主要研究管材和船用型材在激光-電弧復合焊接過程中熔池的穩態和動態情況。利用準穩態過程模型確定了一套合適的焊接參數，利用激光焊動態模型研究了匙孔深度和振動振幅。使用15 kW的光纖激光器，在一個較寬的焊接參數范圍內對鋼管和不銹鋼進行激光-MAG復合焊。通過對熔池深度及其各自振動頻率的實驗結果和模擬結果的對比，分析了熔池的自振動特性。

復合焊接；熔池；計算機模擬

0 前言

30年前，一些學者提出了同時用激光束和電子束對金屬進行焊接的想法[1]。近年來，隨著高能量CO2激光技術發展，可以產生波長10.6 μm的放射線，才使這一設想成為可能。在激光束作用區域，此波長的激光束和金屬之間進行相互反應，從根源上影響聚焦光束，同時影響部分目標區域的吸收能和相互影響區域內的等離子能。波長1.06 μm的高能激光射線與目標區域的相互作用從本質上說與上述射線不同。這種波長的高能激光束具有較差的輻射質量和低的可靠性。隨著連續輻射能可達30 kW的鐿光纖激光技術得到發展，其激光束質量高，可靠性高，使這種波長的高能激光得到了廣泛應用。

復合激光電弧焊，在厚重零件的焊接方面是一種最有前景的技術，其在造船、天然氣、石油管道、橋梁和建筑等行業中具有廣闊的應用前景。復合焊的主要優勢是可以焊接厚度達15 mm或以上的材料，包括高強度鋼和新型合金。盡管復合焊的焊縫質量與激光焊焊縫的質量相當。但在實際生產中這種技術的應用受限于一系列過程參數的相互作用[2]，如焊縫處的孔隙率、裂紋、失效和阻礙，特別是對于焊接合金鋼材料。

通過對激光電弧焊接全過程研究結果分析，可以發現一系列問題，如焊縫上部橫截面的急劇增寬、晶粒向不利的方向生長、焊縫深處硬化結構的存在、氣泡的存在、軸向方向沖擊功低，特別是在低溫測試過程中。影響焊接過程的因素較多，這些因素的設置對焊接過程的穩定性、焊接接頭的質量都有重要影響。本研究使用模型仿真技術，尋找改善激光-電弧復合焊接的方法，并進行測試。

1 模型建立與過程模擬分析

為了對激光-電弧復合焊的焊縫形成和演變進行模擬，建立了兩個模型。一個模型模擬穩態過程，另一個模擬熔池的動態演變過程。如文獻[3]所述，穩態模型是根據熔深較深的激光焊接模型建立的，該模型解決了一些相互作用的參數問題，如激光所產生的激光束之間的相互作用；考慮等離子體的氣體動力學和保護氣體噴射的電弧等離子體；在工件表面激光-電弧復合放電促使熔化的金屬蒸汽和保護氣體混合；電弧電流；填充焊絲加熱、熔化；激光束在匙孔內發生吸收和不斷的反射；在熔化金屬和固體金屬表面進行持續的熱-質量傳遞；匙孔內部氣化和蒸汽流動動力。所有的局部模型主要分析相互關聯的物理過程。本研究著重分析激光束在匙孔內的吸收和反射問題，通過此模擬解決了固體表面的傳遞效應和匙孔內部產生氣化問題。對電弧和等離子模型中的質量、動量、電流和能量方程使用邊界條件近似法[4]。模擬過程中考慮了影響匙孔產生的多種因素，包括激光束和電弧電流產生的壓縮和體積熱、金屬蒸汽混合物、電弧氣體和保護氣體，以及溫度影響，同時考慮了電弧對工件表面的影響和保護氣氣流的影響。在放電模型中，通過Raizer動態方程的結果確定了電離速率、電導率的空間分布、熱擴散率，在動態方程中考慮了等離子體和等離子體周圍的電子傳遞因素。填充焊絲的熔化問題通過用Stephan邊界條件處理固-液界面和考慮電子力對下沉傳遞的影響來解決[5]。模擬中用理想液體的粘性邊界條件考慮上液面和匙孔液相的熔體流動和熱傳遞。采用不同的3D模型考慮激光焊接過程中不同試塊間的間隙問題。

程序模型的總方案如圖1所示。不同模塊之間通過直接的邊界條件相聯系。一個模塊的解決作為下一個模塊的邊界條件，即作為下一個方程的一個系數。在復雜問題的數學求解中使用了數值分析運算，這一數值分析運算同樣適用于激光CAD系統之中，此系統模擬了熔池的形狀和尺寸，焊接熔化道中的熱分布，以及復合激光-電弧焊中的熱影響區分布。

圖1 穩態過程模型結構

熔池動態行為模型是在激光焊接動態模型的基礎上建立的。這一模型是根據拉格朗日Laegrange力學體系建立的，同時考慮了以下現象，如孔洞表面的波浪運動，不同時間下焊道的形狀和尺寸，孔洞運動過程中深度、半徑變化的影響。動態方程中同時考慮了摩擦力的影響。本研究將考慮模型的幾何形態，并且通過Laegrange體系推導運動方程可能的簡化模型。簡化過程如H＞＞a，“H”指熔池深度，“a”指匙孔半徑，同時假定不存在傾斜的孔洞和熔道壁。根據Laplace方程的結果，將熔化物的流動假定為潛流運動形態。

S（z）為在靜態的坐標系內蒸汽孔橫截面的面積，其可以表達匙孔消減的速率，如

式中S為橫截面面積。

熔化物的流動由沿著匙孔消減方向“z”vz的流動和在橫截面水平方向v⊥的流動組成。熔池的動能由三部分組成，即E=E⊥+Ez+Eb，計算式為

式中A和a為將兩者一同映射到一個同心面上時，熔化物前沿和匙孔的橫截面的圖像半徑。由于活動區的勢能是一種表面能，它能計算自由表面面積，表面面積乘以表面張力系數，而比表面能等于表面張力系數σ

式中H1為熔化物表面相對于工件表面的高度。

通過如下公式利用廣義坐標系（s0，sn，H）描述廣義力值Qi

δAi是在虛擬位移δqi上的虛擬工作，QH的表示為

式中P為孔洞中的蒸汽壓；P0為外部壓力。

考慮噴氣嘴的反作用力可以得到

式中ρ0和V0分別為工作表面處的密度和噴嘴反作用速率。經過幾次轉變后Qs可表示為

Eb代表動態熔池底部的能量。

式中λi是方程J1（λi）=0的一個根。

為了確定P（s0）和分析了非平衡熱傳導問題。

根據Lagrange力學體系引入了廣義粘滯力物理量。耗散函數可以根據以下公式推導

廣義摩擦力可以根據如下公式計算

可以根據如下的方程耗散函數解決在液相最前沿邊界層的熔化物流動的問題。

式中L為液相前沿的長度（L=2πA）。推導了研究目標的動力、潛能和廣義作用力，廣義作用力可以根據Lagrange方程得到。

式中qi定義為H，S0，…，S1，…Sn連續的。

為了完成計算，假定體系以第2層開始，同時體系以四個簡單的二階微分方程進行，并通過六重Runge-Kutt運算法則得到數值解。本研究做了焊接速率從0.3～10 cm/s，焊接功率從1～20 kW的低碳鋼激光焊接驗證計算。這個算法也在激光CAD中得到驗證。如圖2所示，改進的數學方程可以用來動態分析不同焊接時刻匙孔的形貌。

材料為10#鋼，激光輻射功率4.5 kW，焊接速率12 mm/s，光束聚焦半徑0.2 mm，焦距30 cm，電弧功率2.5 kW。圖2 匙孔形成模擬

焊接初期，焊接工件表層尚未達到金屬蒸發所需的溫度，因此由金屬蒸汽所引起的反作用力比較小，熔池向下凹陷并不明顯。隨著模擬焊接時間增加，焊接件被迅速升溫，熔池內金屬蒸發作用愈強烈，由金屬蒸汽所引起的反作用力也顯著增強，熔池明顯向下凹陷。金屬蒸汽的反作用力是熔池向下凹陷的主要驅動力，而熔池避免存在的表面張力則是匙孔形成的主要阻力，兩者相互作用控制著匙孔的形成。當焊接作用時間低于36 ms時，驅動力大于阻力，匙孔不斷長大；36 ms以后驅動力和阻力趨于平衡，匙孔形貌也趨于穩定狀態。

動態模型還可以用來對氣孔表面和釘扎現象進行動態分析，用以減少熔池中不穩定的動態行為發生，如圖3所示。焊縫中真實缺陷如圖4所示。

對于厚板焊接，在沒有熔透的情況下在焊縫內部容易形成各種缺陷，如氣孔、釘尖等，由此造成焊縫熔深深度不同，引起接頭機械性能分布不均，力學性能變差。氣孔、釘尖主要形成于焊縫中部和焊縫兩側。由于金屬蒸汽反作用力突變或是匙孔壁表面張力突變，引起匙孔壁出現突起，突起形成后會有兩種不同的發展方向。一是突起不斷長大，完全阻斷激光束的入射，在焊縫中部形成較大的氣孔缺陷，如圖3a所示。二是突起吸收能量后破裂，使匙孔壁面重新趨于平滑，如果突起吸收能量過多，破裂時反作用力較大，會在熔池引起局部小的凹陷，形成較小的氣孔缺陷，如圖3b所示。

通過穩態工藝模型，使用激光CAD模擬了固、液、氣相中相鄰介質的熱傳輸，輻射傳輸和激光-電弧放電動力學。同時也計算了熔化和熱影響區域的面積，繪制了熱循環和連續冷卻轉變圖，結合金屬材質可以計算相結構。穩態工藝模型可以估算所需要的熱源參數，還可以預測焊接后金屬結合處的相結構，從而減少實驗的數量。圖5為AISI鋼復合焊接的模擬圖。

試驗結果表明，相圖中沿著相軌跡的有限區域濃度較高，也就說明孔洞振蕩的湍流現象。同時表明計算結果不取決于初始條件，熱影響區的大小和形狀取決于焊接參數。

模型表明，激光焊接過程中，復合焊接不同于廣義坐標，它有不同的振動頻率。最低的頻率（低于100 Hz）為典型的空穴半徑和深度振幅。增加熔深深度和填充速率導致光譜向低頻率轉移。第一（s1）和第二（s2）順序波有最高頻率（最高10 kHz），這些光譜也決定于振幅深度，送絲速率增加也同樣降低了低頻振幅。

圖3 氣孔缺陷形成過程

圖4 焊縫中的氣孔缺陷

3 激光-電弧復合焊安裝設計

通過模型模擬對厚重鋼零件在激光-MAG復合焊接時設備技術方面存在的問題進行了改進。對于厚度超過12mm的鋼板，要求使用電弧單道3m/min的焊接速度焊接。使用激光CAD模擬設定參數：激光電源功率高于15kW；聚焦光束直徑為0.3～0.4mm；焊接電流不小于250 A，焊絲直徑1～2 mm。

改進設備包括：IPG制造的LS-15光纖激光器和PC250 Riedel冷卻系統，電流可達到1 500 A的VDU-1500電弧電源和數控送絲設備，激光-電弧模塊（工作工具），6通道氣體數控模塊，焊縫檢測系統和跟蹤基本的掃描激光傳感系統，過程監控系統和控制系統。

激光-電弧復合焊系統包括控制器、激光焊接接頭、電弧焊槍、焊縫追蹤傳感器系統和過程監控傳感器系統。焊接過程中提供保護氣體。圖6為改進的焊接系統。焊接過程控制由控制器通過驅動系統來完成。如激光束焦點的位置相對于焊接表面保持不變（“垂直移動”），激光束焦點的位置相對于焊縫保持不變（“相交移動”）。激光束焦點相對于焊接表面在垂直方向的偏移可以保證在±0.2 mm以內，激光束焦點相對于焊縫在橫截面方向的偏移可以保證在±0.5 mm以內。

圖5 AISI1330鋼的激光和復合焊接數學模擬結果（10 kW+4 kW）

圖6 激光-MAG復合焊接裝置

5 結果和討論

通過穩態和動態模型對激光-電弧復合焊的焊縫形成和演變進行模擬，結果表明，在匙孔形成過程中，由于金屬蒸汽反作用力突變或是匙孔壁表面張力突變會在壁面局部產生突起，在焊縫中產生氣孔或釘尖缺陷，這與實際焊接結果相吻合。通過模型模擬優化了相對于激光束的電弧焊槍位置，通過使用復合納米的特殊填充焊絲，優化了電弧氣氛的組成，改進了焊接工藝，避免了如氣孔、熱裂紋等缺陷的產生，使X80鋼管焊縫在溫度為-40℃時沖擊性能達到140～200 J。

[1]王明林，吳艷明，張成杰，等.10CrNi3MoV鋼激光-MAG復合熱源焊接技術研究[J].材料開發與應用，2013（01）：1-5.

[2]陶傳琦，吳向陽，王秋影，等.SMA490BW耐候鋼激光-MAG復合焊與MAG焊對比研究[J].電焊機，2014，44（12）:35-39.

[3]吳冰，鞏水利，龐盛永，等.激光深熔焊運動熔池瞬態形成過程數值模擬[J].焊接學報，2010（10）：25-28.

[4]汪任憑，雷永平，史耀武.激光深熔焊中匙孔形成過程的動態模擬[J].焊接學報，2010（11）：46-50.

[5]汪任憑，雷永平，,史耀武.激光深熔焊接過程傳輸現象的數值模擬[J].稀有金屬材料與工程，2011（S2）：76-79.

Simulation analysis of steady and dynamic states of laser-arc hybrid welding molten pool for thick wall steel tube based on computer

LI Donghui，SUN Junju
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

In the process of hybrid laser-arc welding of pipes and shipbuilding sections，the simulation of steady and dynamic states of molten pool behavior are observed.The appropriate welding mode is determined by a quasi-stationary process-model.The keyhole depth and width oscillations are researched by the dynamical model of laser welding.The pipe steel and stainless steel are welded in wide range of welding parameters of hybrid laser-MAG welding with 15 kW fiber laser.The experimental result and simulated result of penetration depth and vibrational frequency are compared to analyze the self-vibration performance of molten pool.

hybrid welding；molten pool；computer simulation

TG456.9

A

1001-2303（2015）08-0054-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.12

2015-04-08；

2015-05-06

李東輝（1966—），男，河南安陽人，講師，碩士，主要從事計算機應用技術方面的工作。