丁玲芳，張英喬，劉盛耀

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

激光-電弧復(fù)合熱源及等離子體模擬研究現(xiàn)狀

丁玲芳，張英喬，劉盛耀

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

激光-電弧復(fù)合焊作為一種新型高效復(fù)合焊接工藝，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。綜述了激光-電弧復(fù)合焊熱源耦合機(jī)理及數(shù)值模擬熱源模型，詳細(xì)介紹了復(fù)合熱源模型的應(yīng)用及等離子體的模擬現(xiàn)狀，指出了建立激光-電弧復(fù)合焊統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型是未來研究的新方向。

激光-電弧復(fù)合；熱源模型；等離子體；數(shù)值模擬

0　前言

激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)由Steen于1979年首次提出[1]，20世紀(jì)90年代以來得到迅速發(fā)展，其兼具快速、經(jīng)濟(jì)及焊接缺陷少等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于汽車、造船、焊管等各個領(lǐng)域，但對于激光-電弧復(fù)合熱源的研究并不充分，特別是在數(shù)值模擬方面[2-3]。

為了更好地認(rèn)識激光-電弧復(fù)合焊接過程中激光與電弧兩種不同熱源間作用機(jī)理，需借助數(shù)值模擬技術(shù)，提高對激光-電弧復(fù)合焊復(fù)雜物理過程的認(rèn)識，從而進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提高焊接接頭的性能。在此分析了激光-電弧復(fù)合熱源及等離子體數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，具有一定的理論意義。

1　激光-電弧復(fù)合作用機(jī)理

激光-電弧復(fù)合焊是由物理性質(zhì)與能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源復(fù)合進(jìn)行焊接[4]。復(fù)合熱源相互耦合并作用于同一加熱部位，既能發(fā)揮各自優(yōu)勢，又可彌補(bǔ)自身不足，其能量大于兩熱源的簡單疊加[5-6]。

激光-電弧復(fù)合焊中，電弧屬低溫、低密度等離子體，而激光等離子體則有高溫、高密度的特點。激光與電弧應(yīng)保持合適的間距，并產(chǎn)生一個傳輸帶電粒子的導(dǎo)電通道，從而發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用[7]。激光和電弧等離子體相互作用機(jī)制為：①激光能穩(wěn)定電弧、防止電弧漂移。激光與電弧作用于焊接部位，激光束作用處產(chǎn)生金屬蒸汽，電弧電壓趨于穩(wěn)定，場強(qiáng)降低，弧柱電阻減小，激光對電弧產(chǎn)生明顯的吸引、壓縮作用，增加了電弧的穩(wěn)定性[8-10]。Albright等人研究低能量激光輔助電弧焊時，發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣分子吸收特定波長激光的能量，相互碰撞并伴有微弱的氣體電離，激發(fā)激光等離子弧（LIP），擴(kuò)展電弧導(dǎo)電通路，從而提高電弧穩(wěn)定性[11]。②電弧能強(qiáng)化激光，稀釋等離子體，提高激光吸收率；但電弧等離子體的“負(fù)透鏡效應(yīng)”使激光束產(chǎn)生偏折和散焦，影響激光吸收[4]。電弧稀釋激光等離子體，降低等離子體對激光能量的吸收、反射，增大激光穿透能力，提升激光能量傳輸率；然而，激光束通過等離子體時，會產(chǎn)生逆韌致輻射吸收，導(dǎo)致激光能量衰減，衰減值與激光波長大小有關(guān)。波長較長的CO2激光（10.6 μm）的能量衰減大于波長較短的Nd:YAG激光（1.06 μm）[12-13]，Hu等[14]借助功率計測量YAG激光垂直穿過TIG電弧后的功率衰減，證實YAG激光穿過電弧等離子體的能量損耗很低，可以忽略。Bibik等人[15]研究CO2激光垂直穿過TIG電弧時，發(fā)現(xiàn)激光的傳輸系數(shù)隨電弧電流的增大而減小，當(dāng)電弧電流大于200 A時,電弧對激光能量的吸收接近30％，此時能量損耗不可忽略。

2　激光-電弧復(fù)合焊熱源模型及應(yīng)用

焊接熱源模型是焊接熱過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，經(jīng)歷了從單一熱源到組合熱源的演變過程。激光-電弧復(fù)合焊中，組合熱源模型分別考慮激光與電弧的熱輸入，同時考慮輻射、表面張力、電弧壓力等因素而建立，模型較復(fù)雜。隨著熱源模型的不斷改進(jìn)和完善，激光-電弧復(fù)合焊的數(shù)值模擬體系也逐漸完善，不僅能計算焊接溫度場分布情況，而且能有效預(yù)測焊后殘余應(yīng)力分布及變形情況，還能觀察熔池流動及合金元素分布，有助于焊接參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。以下分別分析激光-電弧復(fù)合焊中電弧及電弧復(fù)合激光后的熱源模型與應(yīng)用。

2.1電弧部分熱源模型

復(fù)合焊中電弧部分熱源模型主要討論分析鎢極惰性氣體保護(hù)焊TIG和熔化極氣體保護(hù)焊GMAW。TIG焊適于薄板焊接，且不消耗電極材料，焊接過程相對簡單。因此，TIG電弧熱源作用的表面熱流通常采用平面熱源，如高斯熱源、雙橢圓平面熱源[16-18]，其中高斯熱源模型為

式中r0為熱源有效半徑；Q為熱源有效功率；η為焊接熱效率；U為電弧電壓；Iarc為焊接電流。

雙橢圓平面熱源模型考慮了熱源移動時焊縫前后能量分布的差異，其函數(shù)表達(dá)式為

式中qf、qr分別為前、后半橢圓內(nèi)的熱流分布；Qf、Qr分別為電弧前、后的總熱量；a1、a2、b為雙橢圓熱源參數(shù)。

GMAW焊接過程不僅受電弧壓力的影響，還存在熔滴過渡現(xiàn)象，情況復(fù)雜，簡化處理方式也存在差異。當(dāng)僅考慮電弧等離子體時，由Goldak提出的“雙橢球體熱源模型”[19]被廣泛應(yīng)用，此模型從宏觀傳熱學(xué)角度，以焊縫橫斷面的形貌輪廓為參照，不僅考慮工件厚度方向的熱流分布，還考慮熱源移動時焊接前后熱流分布的不對稱性，將前、后半部分各分成兩個不同的1/4橢球，兩半部分橢球內(nèi)熱源分布為

式中qf、qr分別為前、后半橢球體內(nèi)的熱流分布；ar、af、bh、ch為前后半橢球體的半軸；ff、fr分別為前后半橢球體內(nèi)熱輸入的比份，且ff+fr=1。

當(dāng)將電弧熱源分為電弧等離子體和熔滴兩部分時，電弧等離子體多采用平面熱源模型，作用于焊件表面，熔滴則選用形狀各異的體熱源模型，表示在熔滴沖擊作用下導(dǎo)致的焊件表面下陷。如有學(xué)者研究激光-GMAW復(fù)合焊接工藝時，電弧等離子體部分采用雙橢圓平面熱源，熔滴部分采用雙橢球體熱源[18]；或選用表面高斯熱源模擬氣-金屬界面電弧等離子體熱流分布，圓柱狀熱源用于模擬熔滴沖擊力[20]，充分考慮了焊件表面所受的電弧作用力，與實際焊接過程中焊件表面的受力情況接近。

2.2激光-TIG/GMAW復(fù)合熱源模型及應(yīng)用

激光-電弧復(fù)合熱源模型是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝參數(shù)、母材等的差異，合理地將激光和電弧熱源模型組合起來，通過數(shù)值模擬進(jìn)行多物理場耦合，實現(xiàn)兩者的交互作用。復(fù)合焊中激光的加入主要考慮通過“小孔”結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換機(jī)制，增加焊件的熔深。以激光熱源模型發(fā)展為主線，介紹復(fù)合熱源模型及其應(yīng)用。

激光-電弧復(fù)合焊中，針對激光產(chǎn)生的小孔結(jié)構(gòu)，多采用體熱源模型，如較早提出的高斯圓柱體熱源模型，激光能量沿徑向呈高斯分布。Kong等人[21]結(jié)合實驗所得的焊縫橫截面形狀研究激光-GMAW復(fù)合焊接A36低碳鋼時，建立雙橢球體熱源+高斯圓柱體熱源模型分別模擬GMAW熱輸入和激光熱輸入，得到焊后殘余應(yīng)力的分布云圖，發(fā)現(xiàn)在試樣處存在明顯的殘余應(yīng)力。計算過程中，雖然通過提高焊接熔點處的熱傳導(dǎo)率來彌補(bǔ)熔池內(nèi)因流體流動引起的對流因素，但仍不能代替對流散熱的復(fù)雜性，而且模型中并未考慮激光能量在小孔內(nèi)傳輸過程中的損耗，存在一定的局限性。

針對激光熱源產(chǎn)生的典型的“釘頭”形狀及“深熔”現(xiàn)象，由吳甦提出的旋轉(zhuǎn)高斯體熱源模型[22]，綜合考慮由激光引發(fā)的小孔機(jī)制及匙孔壁的能量傳遞的物理特點，其作為一種新型高能束焊接熱源，得到廣泛應(yīng)用，如圖1a所示，此熱源模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Liang等人[23]對AZ31B鎂合金進(jìn)行激光-TIG復(fù)合焊接模擬時，采用高斯+旋轉(zhuǎn)高斯體組合熱源分別模擬TIG電弧表面熱流和激光熱源，能得到呈“螺釘”狀的焊縫橫斷面，但忽略了焊件表面受到的表面張力、電弧壓力、磁懸浮力等作用，獲得的熔池表面半徑的模擬結(jié)果小于實際結(jié)果。

李迅波等人[17]對鎂合金/不銹鋼板進(jìn)行異種材料對接焊時的激光-TIG復(fù)合焊研究，不僅用雙橢圓分布的面熱流密度和旋轉(zhuǎn)高斯體熱源分別模擬電弧和激光熱輸入，還采用雙橢球體積分布的熱流密度模擬因電弧沖擊等作用導(dǎo)致的變形熔池內(nèi)部激光能量分布，彌補(bǔ)了先前學(xué)者僅單純考慮激光和電弧熱源的不足，并采用回歸分析法確定三者之間的能量分配關(guān)系，對比數(shù)值計算的焊縫溫度及殘余應(yīng)力分布與實測值，發(fā)現(xiàn)焊接熱循環(huán)曲線及殘余應(yīng)力與實測變化趨勢一致。

此外，還有改進(jìn)的高斯體熱源模型（CIN）[24-25]、旋轉(zhuǎn)曲面體熱源模型[18-26]及呈高斯“杯狀”的新型體熱源模型[27]，分別如圖1b、圖1c和圖1d所示。圖1所示四種體熱源模型既考慮到激光能量沿徑向呈高斯分布的特點，又考慮到高能量密度的激光形成的“小孔效應(yīng)”，還涉及小孔內(nèi)激光能量損耗，并能調(diào)節(jié)熱源形狀參數(shù)以適應(yīng)不同的焊接條件。

圖1　熱源模型Fig.1Heat source models

CIN熱源模型指出小孔內(nèi)能量分布隨熔深增加呈指數(shù)遞減，根據(jù)焊件厚度及焊縫橫斷面輪廓來設(shè)置熱源的形狀參數(shù)，獲得圓錐體狀或平截錐體狀的焊縫形狀。Piekarska和Kubiak[24-25]研究激光-GMAW復(fù)合焊熱源模擬時，為避免過熱熔滴的復(fù)雜性，僅考慮電弧和激光作用，以S355鋼板為基體材料，雙橢球熱源模型用于電弧熱輸入，激光熱源則是基于實驗研究而改進(jìn)的高斯體熱源模型（CIN），計算過程中考慮了熔池內(nèi)由懸浮力驅(qū)動的流體流動和熔融區(qū)材料的相變潛熱，得到焊件溫度場分布、焊縫橫斷面輪廓和熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動速度，表明溫度場分布對熔池形狀有重要影響，熔池內(nèi)流動呈渦旋狀。

旋轉(zhuǎn)曲面體熱源模型在處理小孔內(nèi)激光的多次反射和菲涅爾吸收時，采用卡普蘭法計算匙孔壁輪廓尺寸，指出小孔底部的能量密度較高，故分配到底部的峰值能量密度高于頂部。Xu等人[18]研究激光-GMAW復(fù)合焊接熱源模型的適用性時，激光熱輸入選用峰值遞增的旋轉(zhuǎn)曲面體熱源，并探討了小孔內(nèi)的反射、吸收機(jī)制，電弧表面熱流采用雙橢圓平面模型，熔滴熱焓采用雙橢球體熱源。對比實驗和數(shù)值計算的焊后6061-T6鋁合金的橫截面形狀及尺寸，發(fā)現(xiàn)預(yù)測得到的輪廓曲線較實驗結(jié)果平滑，但輪廓形狀和尺寸大小非常接近，表明復(fù)合熱源模型的可靠性，并得到焊接溫度場的分布云圖。文獻(xiàn)[26]中進(jìn)一步研究T型接頭6061-T6鋁合金的焊后殘余應(yīng)力及變形情況，分析焊縫的殘余應(yīng)力云圖及變形曲線圖可知，在焊縫處及附近沿焊接方向存在較大的殘余張應(yīng)力，T型接頭前端存在小焊接角變形，中部及后端則有較大的焊接角變形。此復(fù)合熱源模型的參數(shù)與小孔的形狀和尺寸關(guān)聯(lián)性較大，而非依據(jù)試驗數(shù)據(jù)預(yù)測得出，用于復(fù)合焊的模擬研究較精確、有效，但未考慮熔池內(nèi)復(fù)雜的液態(tài)金屬流動，與實際情況存在偏差，有待改進(jìn)和完善。

高斯“杯狀”熱源模型則是以激光熱源在焊件表面形成的“倒喇叭”狀小孔結(jié)構(gòu)為原型，其上部是圓錐狀體熱源，下部是圓柱狀體熱源，通過調(diào)節(jié)熱源模型的形狀參數(shù)來確定上、下部的熱源形狀分界點。Faraji等人[27]研究激光-TIG復(fù)合焊接AA6082鋁合金時，TIG熱流采用表面高斯熱源模型，激光采用高斯“杯狀”體熱源模型，還考慮了熔化潛熱，建立電磁模型表示熔池內(nèi)電弧電流和電磁力的影響，熔池內(nèi)流體流動綜合了湍流和層流狀態(tài)，涵蓋了熔池內(nèi)小孔效應(yīng)的熱傳輸和流體流動，計算所得的橫斷面輪廓與試驗焊縫對比，發(fā)現(xiàn)考慮流體流動后的模擬結(jié)果更接近實際焊縫輪廓，因此建立復(fù)合熱源模型時有必要同時考慮傳導(dǎo)和對流的熱傳輸機(jī)制。

為提高計算速度，以上熱源模型均假定焊件表面為平坦界面，忽略匙孔動力學(xué)行為。Cho等人[28]研究激光-GMAW復(fù)合焊后熔池內(nèi)合金元素分布時，除計算質(zhì)量、動量、能量守恒方程外，還有描述熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動的流體體積模型（VOF）方程及計算合金元素分布的附加方程，并假定熔融金屬具有牛頓粘度和不可壓縮的層流特性。此外，電弧熱流采用表面高斯分布，重力、電磁力和自感應(yīng)磁力作為體積力考慮，激光能量僅考慮菲涅爾吸收，小孔內(nèi)每一束激光照射到孔壁上的能量均呈高斯分布，小孔變形主要考慮反沖壓力作用，得到熔池渦流及Cr元素分布情況，熔池內(nèi)渦流合金元素含量高，并沿同一方向旋轉(zhuǎn)，使得小孔后部的合金元素均勻分布在熔池頂部。模型中雖有匙孔動力學(xué)行為，但忽略了逆軔致輻射吸收、瑞利散射，熔融金屬和氣泡間的熱量及質(zhì)量傳輸，今后研究中還需綜合考慮這些影響因素。

由于復(fù)合焊涉及的物理問題較復(fù)雜，并考慮到運算速度，這些數(shù)學(xué)模型是在簡化的假設(shè)條件下建立的，有一定的局限性，但在復(fù)合焊接模擬研究中仍起著重要的指導(dǎo)作用。目前焊接熱過程的模擬研究中，盡可能少的假定條件建立三維熱源模型，從而得到較精確的模擬結(jié)果，仍是熱源模型的發(fā)展方向。

3　激光-電弧復(fù)合焊等離子體模擬

等離子體被稱為物質(zhì)第四態(tài)，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，呈現(xiàn)電準(zhǔn)中性，并受磁場控制，其運動的結(jié)果又能形成電磁場[29]。根據(jù)等離子體的產(chǎn)生途徑，激光-電弧復(fù)合焊中以電弧等離子體和激光等離子體為主。焊接等離子體的研究是從電弧等離子體開始，復(fù)雜的GMAW電弧物理過程，除存在電場、磁場和流場作用外，還有熔滴現(xiàn)象，因此GMAW電弧等離子體的研究非常少。目前就焊接電弧的數(shù)值分析大都集中于無熔滴過渡現(xiàn)象的TIG電弧，是研究激光-電弧復(fù)合焊等離子體的基礎(chǔ)。

激光-電弧復(fù)合焊中，需考慮等離子體對激光能量的吸收、LIP及金屬蒸汽的影響[30]。有學(xué)者在TIG焊電弧模型的基礎(chǔ)上建立激光-TIG同軸復(fù)合焊數(shù)學(xué)模型[31-32]，如圖2所示，并作出以下假設(shè)：a.電弧等離子體和金屬蒸汽都呈軸對稱分布，滿足局部熱平衡；b.等離子體呈光學(xué)薄，僅考慮激光的逆韌致輻射；a.流體為層流流動；d.不考慮陽極變形和熔池內(nèi)流體流動對焊件溫度場的影響。在激光作用下，母材表面產(chǎn)生大量金屬蒸汽，根據(jù)金屬蒸汽的求解結(jié)果確定計算區(qū)域陽極表面的溫度邊界條件，并求解其質(zhì)量、電量、動量和能量四大守恒方程，經(jīng)反復(fù)迭代至收斂，得到復(fù)合焊等離子體的熱場、電場和流場。

Cho等人[31]研究Nd:YAG激光-TIG復(fù)合焊等離子體時，忽略激光能量損失，得到復(fù)合焊等離子體的溫度場、電場和流場分布，分析表明陽極激光輻射區(qū)域附近等離子體的局域溫度隨激光功率的增大而增大，熱流密度高度集中，流動速度增大。

Cho和Na[32]研究CO2激光-TIG復(fù)合焊等離子體時，保護(hù)氣體為Ar，考慮激光能量的逆韌致輻射吸收，結(jié)果表明整個電弧軸線區(qū)域因等離子體對激光能量的大量吸收，溫度很高，電弧弧根部分因金屬蒸汽的影響而收縮。

圖2　激光-TIG同軸復(fù)合焊模型Fig.2Hybrid model of laser-coaxial arc welding

此模型針對靜止時的激光-TIG同軸復(fù)合焊提出，是目前基于激光-電弧復(fù)合等離子體模擬研究所建立的僅有的數(shù)學(xué)模型，Cho和Na也是在復(fù)合等離子體模擬研究領(lǐng)域的杰出學(xué)者代表。而實際復(fù)合焊接過程多采用高焊速的激光-電弧旁軸復(fù)合，此時電弧形態(tài)及電弧熱流密度分布均會發(fā)生變化。因此，研究高焊速下激光-電弧復(fù)合等離子體機(jī)制，還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善模型。

4　結(jié)論

目前，激光-電弧復(fù)合熱源模型的研究應(yīng)用已引起眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，其研究體系也日益完善。相對而言，對于復(fù)合等離子體復(fù)雜的物理機(jī)制的研究，僅有少數(shù)研究者涉足，且受試驗條件和數(shù)學(xué)模型的限制及材料的高溫?zé)嵛锢硇阅軘?shù)據(jù)的匱乏，人們對電弧物理行為的認(rèn)識尚不完善。

激光-電弧復(fù)合等離子體與熔池是不可分割的統(tǒng)一體，兩者存在雙向耦合作用：復(fù)合等離子體作用于焊件表面，導(dǎo)致熔化金屬自由表面的變形；熔池表面變形不僅會改變?nèi)鄢貎?nèi)熱量及質(zhì)量傳輸，還會影響復(fù)合等離子體形狀及焊件表面的熱流密度和電流密度分布。將激光-電弧復(fù)合等離子體與熔池統(tǒng)一進(jìn)行分析，避免交互界面條件的假定，能更精確地揭示復(fù)合等離子體與熔池的交互作用機(jī)制，更能反映復(fù)合等離子體和熔池數(shù)值模擬的實際情況。

為實現(xiàn)激光-電弧復(fù)合等離子體與熔池數(shù)值模擬的統(tǒng)一，根據(jù)磁流體動力學(xué)理論構(gòu)建激光-電弧復(fù)合等離子體和熔池的三維數(shù)學(xué)模型，通過應(yīng)用相關(guān)有限元軟件，對復(fù)合等離子體與熔池的耦合進(jìn)行迭代分析，以此更新兩者間因界面的動態(tài)變化而改變的計算區(qū)域，但考慮到金屬熔化的相變過程，故采用特定方法解決焊件的熔化區(qū)與非熔化區(qū)的移動邊界問題。

研究激光-電弧復(fù)合區(qū)溫度場分布、電流密度分布及等離子體流場分布，討論分析等離子體流動機(jī)理過程，由于焊接過程中復(fù)雜的多物理現(xiàn)象，其過程難以用數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確描述，尚待研究。

現(xiàn)階段，焊接電弧與熔池交互作用的統(tǒng)一模型已經(jīng)建立，但激光-電弧復(fù)合等離子體與熔池的統(tǒng)一模型的建立還尚未報導(dǎo)，為簡化分析過程，通常將兩者作為獨立的研究對象，并假定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，其將成為未來激光-電弧復(fù)合焊接數(shù)值模擬的研究動態(tài)及發(fā)展趨勢。

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Numerical analysis of thermal model and plasma in laser-arc hybrid welding

DING Lingfang，ZHANG Yingqiao，LIU Shengyao
（Department of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

As a new type of efficient composite welding technology,laser-arc hybrid welding has attracted attention of scholars at home and abroad widely.In this paper，the coupling mechanism of heat source and the required heat source model in numerical simulation of laser-arc hybrid welding are outlined.And then，the application of coupling heat source and the hybrid plasma are detailed.And it points out that the establishment of unified mathematical model in laser-arc hybrid welding would be the future research trend.

laser-arc hybrid；heat source model；plasma；numerical simulation

TG456.7

C

1001－2303（2016）03－0137-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.29

2015－07－06；

2015－08－18

山西省自然科學(xué)基金資助項目（2012011021-1）

丁玲芳（1991—），河南濮陽人，碩士，主要從事焊接電弧物理及材料焊接性方面的研究工作。