電磁熔池自動控制激光束焊接工藝及仿真

王升花

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

電磁熔池自動控制激光束焊接工藝及仿真

王升花

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

研究外部施加的磁場對激光束焊接質量的影響，利用計算機模擬的結果進行工藝參數的優化。焊接測試使用功率高達20 kW的激光束，試驗證明功率為15 kW的交流磁鐵可以在20 mm厚鋁的全穿透焊過程中阻止重力下降。對于部分穿透焊接，一個0.5 T的直流磁場足夠用于抑制熔池中的對流流動。部分穿透焊接測試使用功率為4 kW的電子束，測試結果顯示，相比于參考值，應用交流磁場可以減少10倍的焊接氣孔，提高了焊接表面粗糙度。

激光束焊接；電磁熔池支持；哈特曼效應；電磁整流

0　前言

鎖孔型激光焊接的優點是高焊速和低熱輸入，特別是在PA位置激光束全穿透鎖孔焊接時表現為高焊接質量。激光束形成一個與側壁幾乎平行的狹窄熔池，在熔池凝固時，沿孔眼軸縱向和橫向收縮應力的變化比其他焊接技術低得多，因此工件的彎曲變形比較小。此外，由于靠近其底部前端的鎖孔不穩定，全穿透焊接能夠抑制所謂過程孔隙的發展。然而，對于厚金屬件的全穿透焊接，其表面張力不能完全補償熔體中的靜水壓力，這可能會導致焊縫根側下垂，甚至當工件厚度超過閾值時熔體會完全落出。

交流磁場和直流磁場都能有效地用于控制工業過程中多數熔融金屬，如晶體生長和金屬鑄造。電磁（EM）處理可以廣泛適用于穩定固化材料的表面，加速（電磁攪拌）或減速（哈特曼效應）金屬流動中的對流，提高氧化物微粒和氣泡的熔化（電磁整流），如發布于2012年的EPM處理（材料電磁處理）。

本研究建立在商用有限元求解器COMSOL Multiphysics4.2軟件基礎之上，以分析熔池中流體流動和凝固現象的磁流體的相互作用，通過模擬獲得最優化工藝參數，包括磁場的幅度和頻率。

1　電熔池焊接工藝的模型建立和模擬過程

焊接過程中流體流動和所施加磁場之間的相互作用叫做洛倫茲力，即

式中J為電流密度；B為磁通密度。

當所施加的磁場具備振蕩性時，電渦流產生于工件趨膚深度的內部，這依賴于所施加磁場的振蕩頻率，主要是根據經典的趨膚效應理論得到的

式中μ0為真空中的導磁率；σ為電導率；f為頻率。

由于電導體材料在磁場中的橫向運動，進一步形成電流密度

這種效應引起的洛倫茲力是針對熔體流速的，可當成一種制動力。該力也存在于不變磁場的應用當中，被稱為哈特曼效應，電磁減速的強度可以用哈特曼符號表示為

式中L為半焊道寬度；η為動態粘度。兩種效應的示意如圖1所示。

圖1　感應焊接熔池支持模式（左）和哈特曼效應（右）在高功率激光束焊接中的構架

平均洛倫茲力是

式中B為所施加磁場對熔池表面的均方根值。

振蕩磁場可有效地從熔體中除去氣泡和其他非導電雜物（如電磁整流等），因為存在于熔體中的所有非導電雜物（如氣泡或粒子）都會干擾電流密度的理想輪廓。其結果是這些雜物被強制沿電磁力FL的相反方向移動。基于Lenov-Kolin理論，作用在小夾雜物（小于δ）上的全部電磁阿基米德力FA可以按如下公式進行計算，此處球形氣泡的Lenov-Kolin因素為GLK=0.75。

另一個電磁技術是實現熔池表面的穩定化（卡尼爾-莫羅效應），這個效應可以通過電磁在表面張力中的作用來解釋，即

電磁力FGM對有效表面張力的作用如圖2所示。

圖2　電磁FGM外形對有效表面張力的作用

熔池中密集電磁攪拌的能量來自傳導熱，主要由磁極和焊接部分的電導率σ以及邊緣的凹凸性決定，這兩種效應都可以加大熔池中的不良電磁攪拌。

2　振蕩磁場中熔池的數值模擬及實例分析

2.1振蕩磁場中熔池的數值模擬

高功率激光系統可對厚度較大的部件實現全穿透焊接，如壓力容器或電站的組件，在熔體中的靜水壓力可超過表面張力帶來的壓力，并導致流體下沉甚至完全落出熔體，如圖3所示。為了顯示工作在所有焊接位置振蕩磁場的非接觸式焊接熔池支持系統的可能性，實驗需要一個約141 mT的磁通密度、3.18 kHz的振蕩頻率來補償12 mm厚AISI 304的熔柱。

圖3　30mm厚的AIMg3帶有磁性熔池和不帶有磁性熔池的全穿透焊接

解決方程組包括流體動力學Navier-Stokes方程，把溫度分布與麥克斯韋方程的能量方程考慮到過程變量產生的洛倫茲力的影響中去，模擬計算焊接過程中的主要物理因素，即表面上的馬蘭哥尼對流、重力驅動的自然對流以及局部熔化和凝固過程中的熔化潛熱。模擬過程中固定鎖孔的幾何形狀和工件表面，模擬熔池支撐，分析上表面和下表面之間的壓力差，以評估靜水壓力的補償度。

數值研究的結構如圖4所示，磁場垂直于焊接方向，所產生的洛倫茲力主要是在垂直方向上，違背了振蕩周期階段的重力。

圖4　電磁熔池支持系統的仿真裝置

2.2實例分析——鋁的模擬

圖5中顯示了20 mm厚的鋁在不施加磁場情況下全穿透焊接的模擬結果和三個不同的磁通密度，焊接速度為0.5 m/min，案例中的靜水壓力在熔池呈直線增加趨勢。施加磁場的目的是為了降低表面之間的壓力差，使其達到一個平衡狀態，在約70 mT的磁通密度和450 Hz的振蕩頻率中幾乎沒有重力下降或熔體下垂的情況發生。根據洛倫茲力分布，熔池中的流動動力學僅會對所施加磁場的下部產生影響，如圖6所示。由于表面張力的溫度變化，會有馬蘭戈尼渦流發生在接近表面的位置。在熔池的下部，電磁力引起的第二渦流與馬蘭戈尼渦流形成對抗，根據磁體磁極的指向與熔化區的長度，會產生洛倫茲力梯度，因此，焊接熔池會被所施加的力壓縮，在熔池上部保持不變的流動速度。實驗獲得了AlMg3熔池的宏觀斷口（見圖5），并與模擬過程顯示出相同趨勢，即避免了下垂，焊縫的幾何形狀為Y形。

圖5　左：焊接熔池中不同磁通量密度在垂直方向上的靜態壓力分布（焊接速度0.5 m/min，振蕩頻率450 Hz）；右：用光纖激光器獲得的試驗結果（激光功率15 kW，焦點位置為-2 mm，焦斑直徑560 μm，頻率459 Hz）

2.3恒定磁場中熔池減速的數值模擬

另一個磁流體效應叫哈特曼效應，用來控制熔池中的不利動力學，尤其是焊接很厚的且容易發生嚴重濺射的元件。焊接實驗是采用CO2激光器完成的，熔池表面十分平滑，根據所施加磁場的極性，駝峰現象得到了抑制，然而哈特曼數大約只有100。使用盤形激光器研究厚約21 mm的鋁鎖孔穿透焊接，以最大化熔池的磁通密度將永久磁鐵安裝在工件兩側，如圖7所示。數字模型中使用標準的兩方程K-e湍流模型，并以速度流線為基準，在施加0.5 T磁場的情況下（見圖8），主要流動特性是引起液體金屬從鎖孔的熱區域流動到邊界區域。施加磁場時，由于哈特曼效應的抑制作用，熔池中的流動速度顯著減小，如圖9所示。在熔池的深處，由于馬蘭戈尼效應，流體將反向流動，隨著磁通密度增大，流體被限制在一個更薄的邊界區域。經調查發現，大約需要104 Ha來消除所施加磁場力產生的影響，此外，在仿真和實驗中，由于流體動力學的抑制，形成了常規的V形焊道（見圖10）。

圖6　在參考情況下和最佳補償情況下的速度流線

圖7　電磁熔池控制系統的仿真裝置

圖8　焊接速度0.5 m/min時，熔池電磁控制和熔池無電磁控制狀態下的速度流線

圖9　工件表面下方2 mm處對稱平面沿焊接方向的流速

3　熔池電磁控制的部分穿透激光焊接

部分穿透激光焊接的第一個問題是鎖孔尖的不穩定性，氣泡主要來自靠近其尖端的鎖孔；第二個問題是在熔池上部非常密集的熱毛細對流。表面張力不能完全抑制熔池表面的振動，同時，再凝固的焊縫表面非常粗糙并呈現出較大的切口。交流磁場被用來抑制氣孔的形成和穩定在平面位置上10mm厚的AlMg3板穿透激光堆焊的熔池表面。

3.1實驗裝置

焊接實驗均采用功率4kW的激光，交流磁鐵直接安裝在激光焊接光學的焊頭處，外部施加的交流磁場被垂直地導向到焊接方向。為了防止光反饋，激光束的入射角與垂直方向成18°，如圖11所示。磁鐵芯由0.05mm厚的Fe-Si系疊片組成，兩個磁體磁極的截面為20mm×20mm，磁極之間的間隙為20mm，交流磁鐵與樣品之間的距離為2 mm，保護氣體（氬氣流速20 L/min）供應到焊接熔池的前側。激光源的主要參數如表1所示。

圖10　AlMg3的焊接試驗結果，焊接速度0.5 m/min，焊縫由盤型激光器制成（功率16 kW，焦點位置為-4 mm，焦斑直徑300 μm，磁通密度0.5 T）

1—初級線圈；2—兩個次級線圈；3—鐵磁芯；4—磁極；5—裝配元件；6—保護氣體噴嘴；7—激光焊噴頭；8—樣本；9—焊臺；10—焊接方向圖11　試驗裝置

表1　激光參數

3.2結果與討論

不施加和施加振蕩磁場的焊接試驗如圖12所示。

圖12　X射線的側面圖像和交流電源不同參數下焊縫的截面積

設定在表面z=0處的焦點位置的基準焊縫處密集孔隙度的形成過程。然而，這種類型的孔是準球形的，并且它們存在于熔池的中心，可以預測，磁場能夠防止這種類型孔的形成，前提是磁場的振幅必須足夠大，并且趨膚深度大約等于穿透深度（約6mm）。

圖13的B～D顯示出的是電磁熔池控制下X射線的側視圖和焊縫的橫截面。通過分析橫截面與X射線圖像得出，焊縫孔隙率的急劇減少（大于90％），能夠為獲得最佳振蕩頻率創造有利條件。根據表面成形來調查整磁場應力，橫截面參照圖12，測量表面輪廓參照圖14，交流磁場的應用導致焊接表面粗糙度顯著減少50％。

圖13　焊縫表面上測量深度的直方圖，只有負值被認為是底切

圖14　參考情況下（左）和圖13　情況下（右）焊縫表面的變化

4　電磁熔池控制的焊絲激光焊接

通過一系列的焊接試驗證明電磁熔池控制也可以應用于工業激光焊接，如復雜非平面部位的對接接頭焊接。

實驗裝置如圖15所示，模擬一個具有高品質防漏要求的蓋與容器開口結合的焊接過程。兩種焊接件均采用AlMgSi0.5合金，考慮到熱裂情況，使用填充材料（AlMg4.5Mn，φ1.2 mm的電線）。

圖15　容器壁蓋子的部分穿透焊接的電磁熔池控制方案

所有的焊接試驗均在水平位置進行，試驗使用激光功率4 kW的摻鐿光纖激光器YLR-20000，激光束與垂直方向的傾斜角為18°。光束傳輸纖維的直徑為0.2 mm，光束在焦平面的對應直徑為560 μm，焦距350 mm，焦點位置為z=-3 mm（下表面）。保護氣體噴嘴放置在激光束。所有焊接試驗的焊接速度和焊絲傳送速度為分別取1.7m/min和2.2 m/min，磁鐵磁極之間的間隙為22.5 mm，磁鐵與工件之間的間隙為2 mm，激光束的焦點位置和焊絲的接觸點都位于磁極之間的中心區域。為了實現全穿透焊接，交流電磁體可放置在試樣根部附近，焊絲噴嘴可以安裝在焊頭的前側，如果深度比工件的寬度小，交流磁場會對焊絲產生影響。但是，在容器關閉過程中，對工件的內部空間沒有訪問權限，因此，只有部分穿透激光焊接過程是可能的。交流磁鐵和焊絲噴嘴都必須位于容器壁的外側，焊絲噴嘴是由非導電材料（聚四氟乙烯）制成，焊絲系統用電與工件用電是隔離開的，以防止渦電流的勵磁。

在圖15中，B是磁通量密度的均方根值，用霍爾傳感器在右磁極中心附近測量；f為交流頻率；δ為趨膚深度。由式（2）計算出鋁合金在室溫下的電導率σ≈30×106Si/m。熔體的導電率要比鋁合金低得多，熔池中的有效趨膚深度比表2所示的值大3倍。

表2　電磁熔池控制的三個焊接試驗的參數

X射線側面圖像如圖16所示，以及有電磁熔池控制和沒有電磁熔池控制下的三個焊接測試段的不同圖像。表2的最后兩列顯示了焊縫的寬度和深度，電磁控制的焊縫比參考值大，穿透深度卻更小，這可以通過在熔體中的強烈攪拌進行說明，由于非對稱的工件設置造成熔池中不均勻的洛侖茲力分布。這樣的效果除了去除孔隙，還有個特別的用處：當焊接結構具有非常深的焊道及填充材料時，可用于稀釋焊接材料。

5　結論

研究表明，振蕩磁場和恒定磁場對鋁合金高功率激光束焊接工藝的穩定性有顯著的正效應。適用于焊接中不同的電磁應用，如電磁熔池支持、流速的電磁制動、電磁整流和電磁焊接表面的改善。

磁通密度、振蕩磁場下的頻率和趨膚深度是決定電磁技術在焊接中能否成功應用的關鍵數值。此外對于工件，所施加的磁場方向與在焊道中磁流體效應的性能是相關的。

圖16　三個焊縫的X射線側面圖像

電磁技術在避免熔體下垂、減少飛濺、降低表面粗糙度以及孔隙含量等方面有明顯提高，因此，通過數值計算和實驗證明電磁技術是一個適當的工具，可以成功的應用于各種焊接中。

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Simulation of laser beam welding technology with automatic control of electromagnetic molten pool

WANG Shenghua
（Chengde PetroleumCollege，Chengde 067000，China）

The effect of external applied magnetic field on the welding quality of laser beam is studied and the technological parameters are optimized by computer simulation results in this paper.The laser beam with the power of 20 kW is used in the welding test,and the results show that the AC magnet with the power of 15 kW can prevent the gravity from dropping in the full penetration welding process of 20 mm thick aluminum.For partial penetration welding，a 0.5 T DC magnetic field is enough for the inhibition of convective flow in the molten pool.The electron beam with the power of 4 kW is used in the partial penetration welding test，and the results show that comparing with the reference value，the application of AC magnetic field can reduce 10 times welding holes，and improve about 50％of the welding surface roughness.

laser beam welding；electromagnetic molten pool support；hartmann effect；electromagnetic rectification

TG456.7

A

1001－2303（2015）11－0014-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.04

2014-11-03；

2015-01-12

河北省教育廳科學研究計劃項目（SZ090204）

王升花（1979—），女，陜西長安人，講師，碩士，主要從事電氣及自動化技術的教學與研究工作。