窄間隙坡口激光-MAG復合焊溫度場數值模擬

董 琦，胡連海，任德亮，齊海波，劉春濤

（1.石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通工程材料重點實驗室，河北 石家莊 050043）

窄間隙坡口激光-MAG復合焊溫度場數值模擬

董 琦1，2，胡連海1，2，任德亮1，2，齊海波1，2，劉春濤1，2

（1.石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通工程材料重點實驗室，河北 石家莊 050043）

采用激光電弧復合焊焊接窄間隙坡口鋼板，坡口會影響激光光致等離子體及電弧形態，從而改變能量密度分布。采用數值模擬手段，綜合考慮激光與電弧的相互作用以及窄間隙坡口對等離子體及電弧的壓縮作用，建立激光-MAG復合堆焊熱源模型和適用于窄間隙坡口的激光-MAG復合焊接熱源模型，并分別進行堆焊和窄間隙坡口對接焊的溫度場數值模擬。結果表明，兩種熱源模型的模擬所得焊縫形狀與實際焊接焊縫熔合線相符性良好，熔寬、熔深相近，窄間隙坡口對溫度場分布有重要影響。

窄間隙坡口；激光-MAG復合焊；熱源模型；溫度場

0 前言

近年來，為提高厚板的焊接效率和降低厚板焊接的殘余應力，激光電弧復合焊作為一種高效率、低熱輸入的焊接方法備受關注。國內外學者對激光電弧復合焊的過程機理、焊縫成形過程、接頭組織性能等方面進行了大量研究[1-4]。隨著有限元技術的快速發展，通過數值模擬方法對激光電弧復合焊展開研究，并提出多種適用于激光特性的復合熱源模型[5-7]。

在厚板激光電弧復合多道焊接時，由于坡口角度較小，窄間隙坡口的壓縮作用會影響熱源能量密度的分布，因此，建立厚板復合熱源模型時必須考慮坡口的作用。在此采用數值模擬手段并結合實驗驗證，分別建立了激光電弧復合堆焊熱源模型及適用于厚板窄間隙坡口的激光電弧復合焊熱源模型，并研究溫度場的分布特點。

1 熱源模型的選擇與建立

1.1 激光深熔焊熱源模型的選擇

與焊條電弧焊、氣體保護焊等常規焊接方法相比，激光深熔焊具有加熱區域窄、熔深大、形成小孔效應等特點，所建熱源模型要充分體現其特點。為此，選取旋轉高斯熱源模型用于表達激光深熔焊。該模型在厚度方向沿中心軸（z軸）最大熱流密度值恒定，在垂直于z軸各平面熱流密度按Gauss函數衰減，其熱源模型為

式中H為熱源高度；R為激光熱源有效半徑；P為激光有效功率。R（z）為熱源分布參數

其熱源能量分布如圖1所示。

圖1 旋轉高斯熱源模型示意Fig.1 Rotary-Gauss body heat source mode

1.2 MAG焊熱源模型的選擇

MAG焊用于厚板焊接時一般采用大電流，此時能量在焊件厚度方向也有分布，故應用體積分布熱源方式表達。為簡化計算，在模擬中將電弧熱與熔滴熱焓合并考慮，并采用雙橢球體熱源模擬MAG焊接溫度場。雙橢球熱源分為前后兩個半球，兩者相互獨立，前半球熱流密度為

后半球熱流密度為

式中ff、fr分別為前后兩半球能量分配比例，且ff+fr=2；bf、br分別為前后兩半球長度方向的半軸長；a、c分別為雙橢球寬度和厚度方向的半軸長；Q為焊接功率，即焊接電流與電壓的乘積；α為MAG電弧與豎直方向的夾角。

1.3 激光電弧復合堆焊熱源模型的建立

激光電弧復合焊并不是兩種焊接工藝的簡單疊加，激光與電弧存在復雜的相互作用，主要表現在：①電弧和激光光致等離子體耦合后，激光光致等離子體中的帶電粒子進入電弧，導致激光光致等離子體的電子密度降低，從而減少激光光致等離子體對激光能量的吸收、反射和散射，提高對激光能量的利用，同時提高電弧的電離度和電弧溫度[8]。②電弧的預熱作用提高了工件對激光的吸收率，增大焊縫熔深。③激光與電弧相互作用的強弱與熱源間距有關，熱源間距越小，相互作用越強，反之相互作用越弱[9-10]。因此，復合熱源模型并不是兩個熱源模型的簡單疊加，而是綜合考慮激光與電弧的相互作用后，調整兩種熱源形狀參數后再相加。復合熱源模型的建立首先要根據熱源間距的不同，調整激光與電弧的有效熱源半徑以及熱源模型中不同參量的值；而后分別計算熱源在作用區域內每一個節點上的熱流密度值；最后將每個節點上兩個熱流密度值疊加得到復合熱源模型。復合熱源模型為

前半部分

后半部分

式中P、R、H、Q、a、bf、br、c均為耦合后的參量。

1.4 窄間隙坡口激光電弧復合焊熱源模型的建立

在窄間隙坡口焊接中，由于坡口對激光光致等離子體及電弧的壓縮作用，導致等離子體及電弧在大小、形態上明顯不同，進而引起熱源能量密度分布的變化。為此，本模擬引入坡口壓縮系數λcp（λcp< 1），用于修正窄間隙坡口下的熱源形狀參數。調整后的高斯旋轉體熱源形狀參數R（z）'的表達式為

故修正后旋轉高斯熱流密度表達式為

由式（8）可知，熱源加熱范圍減小，熱源中心能量密度增大，這與電弧受到壓縮后電弧半徑減小、能量密度增大一致。

同理，在雙橢球熱源表達式中，坡口對熱源形狀參數的影響主要表現在對寬度方向的半軸長a的影響，故修改后的a'為

修正后雙橢球熱流密度表達式為

前半球

后半球

適用于窄間隙激光電弧復合焊接的熱源模型為

前半部分

后半部分

2 數值模擬和實驗結果

2.1 實驗條件

采用CO2激光+MAG復合焊接方式對X80管線鋼分別進行平板堆焊及厚板窄間隙坡口焊。焊接工藝參數為：激光功率6 kW，離焦量-2 mm，光絲間距0mm，焊接速度1.2 m/min，MAG焊接電流250 A，電弧電壓37 V。焊接過程中激光中軸線與MAG焊電弧中軸線成30°夾角，材料為X80管線鋼，其熱物理性能參數[11]如表1所示。

表1 X80管線鋼熱物理性能參數Table 1 Thermal physical parameters of X80 pipeline steel

2.2 數值模擬

根據焊后焊縫尺寸建立幾何模型，由于焊件和傳熱是對稱的，為減小模擬中的計算量，故取實物的一半建模。堆焊模型尺寸250 mm×90 mm×12 mm，余高3 mm，窄間隙坡口焊模型尺寸125 mm×90 mm× 21 mm，鈍邊4 mm。綜合考慮計算精度和計算效率，焊縫及其附近區域選用SOLID70三維實體8節點單元進行細分，遠離焊縫區選用SOLID70三維實體8節點單元進行粗分，中間區域采用20節點的SOLID90三維實體單元進行自由過渡。最終建立的有限元模型如圖2所示。

采用激光電弧復合堆焊熱源模型和窄間隙激光電弧復合焊熱源模型，通過ANSYS有限元軟件對X80管線鋼分別進行平板堆焊及窄間隙對接焊溫度場數值模擬。初始溫度和環境溫度均為25℃，焊縫對稱面上施加溫度絕熱條件，其他表面施加對流邊界條件。采用生死單元技術實現窄間隙坡口焊縫熔池及堆焊余高的填充。

3 數值模擬結果分析

3.1 焊縫形貌的對比

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

焊縫形貌及尺寸可通過模擬計算得到的瞬態溫度場在垂直于焊接方向的平面上的分布得到。圖3a、3b分別為激光電弧復合堆焊和窄間隙坡口激光電弧復合焊焊縫橫截面與熱影響區模擬值與實際值的對比，由圖可知，模擬得到的熔合線、熱影響區的分布與實際焊接結果相符性良好。此時，堆焊熱源模型參數值為：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2 mm、br=6 mm、c=3 mm；窄間隙坡口焊熱源模型參數值分別為：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2mm、br=6 mm、c=3 mm、λcp1=0.8、λcp2=0.6。

模擬所得熔寬、熔深值與實際值誤差較小，如表2所示，證明了激光電弧復合堆焊熱源模型及窄間隙激光電弧復合焊熱源模型的準確性。

3.2 溫度場的分布特點

圖4a為激光電弧復合堆焊在焊件表面處準穩態溫度場的分布，圖4b為窄間隙坡口激光電弧復合焊在平行于焊縫上表面處準穩態溫度場的分布。對比圖4a、4b可知，激光電弧復合堆焊準穩態溫度場等溫線呈長方形，前部寬度與后部寬度相差不大，窄間隙坡口激光電弧復合焊溫度場等溫線呈雙橢圓分布，等溫線前部明顯比中間部分窄，等溫線的長寬比隨著溫度的升高逐漸減小；激光電弧復合堆焊熔合線前部寬度明顯大于窄間隙坡口激光電弧復合焊熔寬，且溫度梯度小于窄間隙坡口焊。以上綜合表明，窄間隙坡口對電弧半徑在橫向上具有壓縮作用，從而造成等溫線在橫向上收縮變窄，而收縮后的電弧提高了加熱區域內的熱流密度。

表2 模擬焊縫與實際焊縫尺寸值對比Table 2 Comparison of the size of the simulated weld and actual weld

圖3 模擬焊縫與實際焊縫的對比Fig.3 Profile comparison of the simulated weld and actual weld

圖4 焊接熔池準穩態溫度場Fig.4 Weld pool quasi-steady temperature field

4 結論

（1）綜合考慮激光與電弧的相互作用和窄間隙坡口對電弧的壓縮作用，分別建立了激光-MAG復合堆焊熱源模型以及適用于窄間隙坡口的激光-MAG復合焊熱源模型。

（2）采用建立的兩種熱源模型分別進行平板堆焊和窄間隙坡口焊接的溫度場數值模擬，并通過與實際焊接所得焊縫形貌的對比，分別驗證了兩熱源模型的合理性。

（3）分析模擬所得堆焊與窄間隙坡口焊的焊縫溫度場等溫線分布，驗證了窄間隙坡口對電弧具有壓縮作用，從而減小了加熱范圍，提高了加熱區域內的熱流密度，進而減小了熔寬。

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Numerical simulation of laser-MAG hybrid welding temperature field with narrow gap groove

DONG Qi1，2，HU Lianhai1，2，REN Deliang1，2，QI Haibo1，2，LIU Chuntao1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Hebei Provincial Key Laboratory of Traffic Engineering Materials，Shijiazhuang 050043，China）

When steel plates with narrow gap groove are welded using laser-MAG hybrid welding，groove will affect the shape of laser-induced plasma and arc，resulting in change of the distribution of energy density.Therefore，based on the interaction between the laser-induced plasma and arc，and the compression of narrow gap groove the plasma and arc，the laser MAG hybrid surfacing welding heat source model and the laser MAG hybrid welding heat source model which is suitable for narrow gap groove are established respectively.The numerical simulated results of two welding temperature fields show that the simulated weld shapes match the actual weld well，and the width and depth of the simulated weld are close to the test value.The narrow gap groove has an important effect on temperature field distribution.

narrow gap groove；laser-MAG hybrid welding；heat source model；temperature field

TG456.7

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2015-07-19；

：2015-12-27

河北省自然科學基金（E2013210030）；河北省高等學?？茖W技術研究指導項目（Z2012010）；河北省高校重點學科建設項目資助

董 琦（1988—），男，河北邢臺人，在讀碩士，主要從事焊接數值模擬及激光焊接工藝的研究。