激光-GMAW复合热源焊接熔池-小孔行为分析.pdf

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1、。。。。rMa。帅。激光加工激光一GMAW复合热源焊接熔池一小孔行为分析术张皓庭，武传松(山东大学材料连接技术研究所，济南250061)[摘要】掌握和深入理解激光一GMAW复合热源焊接过程中的熔池与小孔行为，是实现复合热源焊接工艺参数优化并将其应用于实际工程的前提。综合考虑激光和电弧的热一力作用以及熔滴过渡带入熔池的质量、热量和动量，建立了激光一GMAW复合热源焊接过程的数值分析模型。定量分析了复合热源焊接过程中熔池流体流动与传热过程以及小孔的动态行为。数值分析结果表明，小孔壁面上各种力相互作用和影响，在小孔

2、前／后壁上会周期性地出现微小凸台，小孔孔道处于短暂瞬间闭合与重新张开的瞬时演变状态。熔滴冲击造成的熔池凹陷与小孔周期性合并与分离，加剧了小孔的不稳定性。熔池内形成两个方向相反的涡流，并在电弧下方附近发生交汇。关键词：复合热源焊接；激光；GMAW；熔池；小孔；流场DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．19．045张皓庭山东大学材料科学与工程学院硕士，现就职于舍弗勒(中国)有限公司。主要从事焊接工作。+基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2014EEM002)。激光一GMAW复

3、合热源焊接，将激光焊和GMAW工艺的优点集成于一体并克服彼此的缺点，通过电弧与激光相互作用的协同效应，产生“1+1>2”的工艺效果。复合热源焊接为高性能金属材料的优质、高效焊接制造开辟了一条新的路径[1-210复合热源焊接过程中lJ,：fL与熔池的动态行为，决定了焊接过程的稳定性和焊缝的质量。因此，建立复合热源焊接的数理模型，通过数值模拟的方法定量分析焊接过程中熔池与小孑L的动态演变过程，对于优化工艺参数、深人理解复合热源焊接的工艺机理有着重要的理论意义和工程实用价值。近年来，国内外研究者在深入理解激光一GM

4、AW复合热源焊接工艺机制方面开展了一些研究。胥国祥等【3。51通过建立组合式体积热源模型，对复合热源焊接温度场进行了数值计算，可以预测不同焊接工艺条件下的焊缝形状与尺寸。但没有考虑熔池内的流体流动和IJ,孑L的动态行为。Zhou和Tsai【61建立了一个复合热源焊接模型，考虑了流体流动、压力平衡、激光多次反射以及熔池表面变形等因素，将蒸发反作用力视为维持II,孑L的主要动力，可用于模拟小孔的形成与闭合过程以及焊接的温度场流场的变化。但模型认为小孔内压强为常数并近似为大气压强，因此只适用于小功率激光的焊接。Ch

5、o和Na口】通过考虑压力平衡、Fresnel吸收、激光的多次反射等因素，建立了激光+GMAW复合焊接的数理模型，利用Flow一3D商业软件以及VOF界面追踪法模拟熔池一tb：fL的动态演变。但是计算过程中忽略了激光和电弧之间的相互作用影响，计算时间也很长(计算2s焊接过程需要328h)。Zhang等【8l通过预设小孑L的方法模拟复合热源温度场流场的变化，但没有考虑熔滴过渡，无法预测焊缝余高2016年第19期·航空制造技术45髭论坛和焊道的形成。总体来看，目前国内外焊接工作者对于复合热源焊接工艺方面的研究较多，

6、对于其机理的探索和揭示还不够深入19-10]。本文分析复合热源焊接过程中激光、电弧以及熔滴各自的热一力作用特点，建立相应的激光,'bZYL模型、电弧模型以及熔滴模型。考虑电弧与激光之间的相互影响，建立激光一GMAW复合热源焊接熔池与4,：fL行为的耦合模型，研究小孔形成、长大以及维持的过程，分析影响小孔稳定性的因素，揭示熔池流场以及温度场的分布规律，为实现激光一GMAW复合热源焊接工艺优化提供理论依据和基础数据。模型的建立激光一GMAW复合热源焊接是一个涉及对流、传导、辐射、熔化、凝固、蒸发以及流体流动的极其

7、复杂的物理过程。如图1所示，复合热源焊接过程中，激光和电弧同时作用在工件上，母材发生熔化形成熔池，熔池通过不断与激光和电弧热交换而逐渐长大。熔池前部激光作用区域由于激光能量密度很大，金属迅速气化而形成一个反向的冲击压力即蒸发反力，熔池在蒸发反力的作用下克服了表面张力以及流体静压力的作用而形成小孔。d,：fL后部熔池在电弧压力和熔滴周期性冲击力作用下表面发生变形，熔池尾部堆积隆起，冷却后形成焊缝余高。激光和电弧主要以热辐射和热传导方式将热量传，怛箩图1激光一GMAW复合热源焊接示意图Fig．1Schematic

8、oflaser-GMAWhybridwelding46航空制造技术·2016年第19期递给熔池。熔池内部液态金属剧烈运动，热传输主要以热对流为主。当熔池向周围环境的辐射、对流散热以及熔池向工件内部的热传导同激光和电弧的热输入达到平衡时，熔池的尺寸达到最大，熔池的各种几何参数趋于稳定，也就是常说的“准稳态”。为建立数理模型，采取如下的简化假设：(1)工件为不可压缩的牛顿流体，熔池流动为层流；(2)在熔