表面張力對激光焊接熔池及匙孔的影響

彭進，許紅巧，楊曉紅，王星星，謝世華，李俐群，張定宇

(1.華北水利水電大學,河南省高效特種綠色焊接國際聯合實驗室,鄭州,450045；2.金華職業技術學院,金華,321017；3.浙江省農作物收獲裝備技術重點實驗室,金華,321017；4.哈爾濱工業大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱,150001)

0 序言

焊接技術在國內工業領域具有較好應用和發展前景[1-3].激光焊接在激光加工制造中發揮著巨大的作用.與鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護焊等相比，激光焊接具有能量密度高、熱影響區小、焊接速度高等優點[4-5].

在激光焊接過程中，表面張力對熔池流動行為有一定程度的影響.熔池中不同位置的表面張力的數值不同，這是因為表面張力與溫度有直接關系，溫度越高表面張力的值越低[6].在焊接試驗中，添加氧等活性元素可增大熔深[7].一些學者基于FLUENT 軟件研究了表面張力對TIG 焊接過程熔池的影響[8-9]，發現氧含量對Marangoni 流力的影響較大，進而影響焊縫的熔深和熔寬.龐盛永[10]對表面張力分別為0.2,0.6 和1.0 N/m 時的匙孔、熔池行為進行了研究，發現表面張力較小時匙孔的最大深度和最小深度均最大，匙孔表面受到的表面張力越小，匙孔越不容易閉合.李俐群等人[11]研究了表面張力作用下的熔池流動行為，發現表面張力溫度系數為負值時熔池表面以匙孔為中心由內向外流動，表面張力溫度系數為正值時，熔池表面為由外向內流動.

鋁合金具有較高的熱導率、線膨脹系數以及較低的熔點.激光焊接鋁合金時易產生氣孔、咬邊等焊接缺陷[12-13].基于以上分析，文中通過FLUENT 19.0 軟件建立激光焊接熱-流耦合模型，研究不同表面張力溫度系數(為負值)對激光焊接熔池行為的影響規律.

1 數學模型

通過FLUENT19.0 軟件對激光自熔焊熔池行為進行數值模擬.激光焊接模型的控制方程為[14]

連續性控制方程

動量守恒方程，x方向為

y方向為

z方向為

能量守恒方程為

式中：u,v,w分別為沿x,y,z方向的速度；P為壓力；u0為焊接速度；Su,Sv,Sw分別為動量方程沿x,y,z方向的源項；H為混合焓；SE為能量方程的源項；ρ為母材的密度；T為溫度；t為焊接時間；k為母材導熱系數；μ為液態流體的動力粘度.

模型計算的工藝參數為：激光功率2 800 W，焊接速度為3.0 m/min.激光束熱源模型公式為

式中：Q為激光束的能量；αabs為相應的系數；H0為激光熱源高度；R0為激光有效半徑.數學模型中添加的反沖壓力、表面張力、浮力見文獻[15].

為提高計算的精確度，軟件中設置的時間步長為1 × 10?5s.焊接工件的材料為6056 鋁合金，其熱物理性能參數如表1 所示.

2 結果與討論

為分析表面張力溫度系數分別對熔池流場的影響，分別截取熔池縱截面和熔池橫截面，沿匙孔中心截取獲得熔池橫截面.熔池縱截面和熔池橫截面示意圖如圖1 所示.

2.1 熔池縱截面流場

圖2～ 圖4 分別為表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4,?3.5 × 10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K) 的不同時間步熔池縱截面流場.可以發現，隨著表面張力溫度系數的減小，熔池后方順時針流動漩渦的趨勢逐漸減弱，甚至消失，這主要是因為隨著表面張力溫度系數的減小，Marangoni 作用力增強造成的.而且隨著表面張力溫度系數的減小，焊接飛濺的數量增多.分析認為，激光入射到焊接工件，激光作用區域的材料熔化、蒸發形成匙孔，在蒸發反沖壓力、表面張力、浮力等力的作用下，熔池表面產生凸起.凸起的液態金屬脫離熔池形成飛濺需要滿足下式[16]，即

圖2 激光自熔焊縱截面熔池流場(?2.5 × 10?4 N/(m·K))Fig.2 Flow field of longitudinal section molten pool in autogenous laser welding: surface tension temperature coefficient was ?2.5 × 10?4 N/(m·K).(a) step 2 100 ;(b) step 2 300 ;(c) step 2 600;(d) step 2 900

圖3 激光自熔焊縱截面熔池流場(?3.5 × 10?4 N/(m·K))Fig.3 Flow field of longitudinal section molten pool in autogenous laser welding: surface tension temperature coefficient was ?3.5 × 10?4N/(m·K).(a) step 2 100 ;(b) step 2 300 ;(c) step 2 600;(d) step 2 900

圖4 激光自熔焊縱截面熔池流場(?4.9 × 10?4 N/(m·K))Fig.4 Flow field of longitudinal section molten pool in autogenous laser welding: surface tension temperature coefficient was ?4.9 × 10?4 N/(m·K).(a) step 2 100 ;(b) step 2 300 ;(c) step 2 600;(d) step 2 900

式中：δ為表面張力；r為熔池表面凸起金屬的半徑；ρm為熔池金屬密度；vm為熔池表面凸起金屬的流動速度.

當焊接過程處于穩定狀態時，匙孔內壁的反沖壓力pr與熔池表面凸起金屬流動速度為

隨著表面張力系數的減小，熔池相同位置的表面張力減小，因此與表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4,?3.5 × 10?4N/(m·K)相比，表面張力溫度系數為?4.9 × 10?4N/(m·K) 的熔池更容易產生焊接飛濺(圖4).

圖2～ 圖4 的熔池表面均出現了由匙孔開口向熔池邊緣流動的趨勢，這主要是Marangoni 作用力引起的.當表面張力溫度系數為?2.5 × 10?4N/(m·K)時，匙孔底部出現了閉合，產生了焊接氣泡(圖2c)，而當表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K)時，匙孔底部未產生焊接氣泡.

對表面張力溫度系數分別為?2.5 × 10?4,?3.5 ×10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K)的不同時間步熔池長度進行統計，如圖5 所示(圖中虛線為熔池長度的平均值).由圖可知，隨著表面張力溫度系數的減小，熔池長度逐漸增加.當表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為3.28 mm；當表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為3.73 mm；當表面張力溫度系數為?4.9 ×10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為4.14 mm.

圖5 不同時間步的熔池長度尺寸Fig.5 Length of molten pool at different time steps

對表面張力溫度系數分別為?2.5 × 10?4,?3.5 ×10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K)的不同時間步熔池流體最大流動速度進行統計，如圖6 所示(圖中虛線為熔池流體最大流動速度的平均值).由圖可知，隨著表面張力溫度系數的減小，熔池流體最大流動速度逐漸增大.當表面張力溫度系數為?2.5 × 10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為2.89 m/s；當表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為3.53 m/s；當表面張力溫度系數為?4.9 × 10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為4.09 m/s.

圖6 不同時間步的熔池流體最大流動速度Fig.6 Maximum flow velocity of melt in molten pool at different time steps

2.2 熔池橫截面流場

圖7～ 圖9 分別為表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4,?3.5 × 10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K) 的不同時間步熔池橫截面流場(左側為熔池流場方向，右側為熔池流線).可以發現，隨著表面張力溫度系數的減小，由熔池邊緣指向匙孔的流動趨勢變強，這主要是由于表面張力溫度系數的變小，Marangoni 作用力增強造成的.

圖8 激光自熔焊橫截面熔池流場(?3.5 × 10?4 N/(m·K))Fig.8 The cross section flow field of the molten pool in autogenous laser welding: surface tension temperature coefficient was ?3.5 × 10?4 N/(m·K).(a) step 2 100 ;(b) step 2 300 ;(c) step 2 600;(d) step 2 900

圖9 激光自熔焊橫截面熔池流場(?4.9 × 10?4 N/(m·K))Fig.9 The cross section flow field of the molten pool in autogenous laser welding: surface tension temperature coefficient was ?4.9 × 10?4 N/(m·K).(a) step 2 100 ;(b) step 2 300 ;(c) step 2 600;(d) step 2 900

對表面張力溫度系數分別為?2.5 × 10?4,?3.5 ×10?4,?4.9 × 10?4N/(m·K) 的不同時間步熔池橫截面面積進行統計，如圖10 所示(圖中虛線為熔池面積的平均值).由圖可知，隨著表面張力溫度系數的減小，熔池橫截面的面積逐漸減小.當表面張力溫度系數為?2.5 × 10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為4.52 mm2；當表面張力溫度系數為?3.5 ×10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為4.03 mm2；當表面張力溫度系數為?4.9 × 10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為3.28 mm2.

圖10 不同時間步的熔池面積尺寸Fig.10 Area of molten pool at different time steps

2.3 模型的驗證

為驗證數值模擬模型的正確性，采用型號為camrecord 5000×2的高速攝像機對激光焊接過程進行實時監測，并采用輔助光源對熔池區域進行照亮.試驗參數與數值模擬參數相同(表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4N/(m·K))，圖11 為高速攝像機拍攝的熔池圖像與數值模擬熔池圖像的對比驗證.通過對比發現，高速攝像機拍攝的熔池圖像與數值模擬熔池圖像的輪廓基本一致.

圖11 試驗熔池圖像與數值模擬熔池圖像Fig.11 Weld pool images obtained by experiment and numerical simulation

3 結論

(1) 隨著表面張力溫度系數的減小，熔池后方順時針流動漩渦的趨勢逐漸減弱，甚至消失.而且隨著表面張力溫度系數的減小，焊接飛濺的數量增多.

(2) 隨著表面張力溫度系數的變小，縱截面熔池長度逐漸增加.當表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為3.28 mm；當表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為3.73 mm；當表面張力溫度系數為?4.9 ×10?4N/(m·K)，熔池長度平均值為4.14 mm.

(3) 隨著表面張力溫度系數的減小，縱截面熔池流體最大流動速度逐漸增大.當表面張力溫度系數為?2.5 × 10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為2.89 m/s；當表面張力溫度系數為?3.5 ×10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為3.53 m/s；當表面張力溫度系數為?4.9 × 10?4N/(m·K)，熔池流體最大流動速度的平均值為4.09 m/s.

(4) 隨著表面張力溫度系數的減小，熔池橫截面的面積逐漸減小.當表面張力溫度系數為?2.5 ×10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為4.52 mm2；當表面張力溫度系數為?3.5 × 10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為4.03 mm2；當表面張力溫度系數為?4.9 ×10?4N/(m·K)，熔池面積的平均值為3.28 mm2.