孫小峰，范喜祥，占小紅，康 悅

（1.中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436；2.中航飛機股份有限公司模具鍛鑄廠，西安 700089；3.南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院，南京 211106）

鋁鋰合金以超高的比強度，成為理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料，在減重、長壽命、高服役性能等要求越來越高的現(xiàn)代航空航天器制造領(lǐng)域擁有良好的應用前景[1-6]。隨著激光器的日新月異，激光器的光束質(zhì)量和輸出功率不斷提升，激光深熔焊技術(shù)已被廣泛應用到航空航天、汽車、軌道交通等重要工業(yè)領(lǐng)域[7]。在鋁合金結(jié)構(gòu)件連接領(lǐng)域，激光深熔焊接將提供更優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量、更高的工作效率。

激光深熔焊接過程中，在足夠高的功率密度光束照射下，材料中產(chǎn)生蒸發(fā)形成匙孔。匙孔內(nèi)的熱量從高溫匙孔外壁傳遞出來，使匙孔周圍金屬熔化，形成熔池。其工作原理如圖1所示。

激光深熔焊具有熱源集中、焊接速度快、被焊接工件的熱變形較小、自動化程度高等特點。鋁合金線膨脹系數(shù)大，且對激光表面初始反射率極高，焊接過程中需要較大的激光功率形成熔池，工件易產(chǎn)生焊接變形。激光深熔焊間隙適應性小，對鋁合金工件的裝配精度要求高。鋁合金激光深熔焊接技術(shù)在焊接質(zhì)量、效率、自動化等方面已超越了傳統(tǒng)鉚接工藝。國內(nèi)外學者對避免激光焊接鋁合金焊縫缺陷[8-9]做了大量研究。本文主要針對2060新型鋁鋰合金材料開展激光深熔焊熔池流動的研究。

激光深熔焊接過程中，匙孔壁受力復雜，會造成熔池形貌不穩(wěn)定，影響焊縫成形，因而會導致焊縫質(zhì)量及性能下降[10-14]。采用試驗方法很難確定焊接過程中熔池的溫度分布和熔池流動的形態(tài)。因此,采用數(shù)值模擬方法分析不同工藝參數(shù)下激光深熔焊接過程中的熔池形貌和焊縫成形之間的關(guān)系。

模型的建立

圖1 激光深熔焊原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser deep fusion welding

本文針對鋁鋰合金薄板焊接的特性，重點研究不同焊接工藝參數(shù)對熔池形成過程的影響?；谶m當假設(shè)，并進行合理簡化，建立鋁鋰合金激光深熔焊接二維仿真模型。

為了簡化計算過程，充分考慮模型計算的合理性，本文對該模型做出如下假設(shè)：

（1）不考慮熔池中氣體間和氣體與熔池間的化學反應；

（2）在焊接過程中熔化狀態(tài)的母材為粘性的不可壓縮流體，并以層流方式流動；

（3）焊接過程中熔池中產(chǎn)生的小孔關(guān)于焊縫中心對稱；

（4）不考慮等離子體對焊接過程的影響。

（5）假設(shè)焊接材料為各向同性。

1 自由界面追蹤理論

在利用Fluent仿真模擬過程中使用多項流模型中的VOF模型來追蹤自由表面。軟件中所用VOF方程為：

式中，fi表示結(jié)構(gòu)中定義為i相所占的體積分數(shù)，若fi=0，則表示結(jié)構(gòu)中不存在i相，同理，fi=1表示結(jié)構(gòu)中都為i相，0

在激光深熔焊接過程中，固相、液相和氣相的體積分數(shù)之和為1，即：

式中，fs、fl、fg分別為液相、固相、氣相體積分數(shù)。在固相區(qū)fs=1；在固液界面處0< fl<1， 0< fs<1；在液相區(qū)fl=1，在氣液界面處 0< fg<1，0< fl<1 ；在氣相區(qū)fg=1。

2 熱源模型

焊接熱源模型是進行準確焊接數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。在激光深熔焊接過程中，根據(jù)激光熱源的特征采用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型，并通過函數(shù)使其深度進行自適應，熱源模型如圖2所示[15-16]。同時，前文涉及的自適應模型深度H是與焊接小孔深度有關(guān)的函數(shù)，此處對實際過程進行了簡化，計算過程中使其初始深度為0.0005m并采用冒泡法使其隨著小孔深度的增加而不斷增大。

式中，H（t）= f（h（t）），

式中，h（t）為小孔深度，η為激光效率，P 為激光功率。

3 幾何模型

本文使用的流場網(wǎng)格模型尺寸是4mm×4mm的二維網(wǎng)格模型，每條邊界上共200個節(jié)點，共計40000個網(wǎng)格，模型的上邊界為速度進口，速度進口的空氣流量（即保護氣體流量）設(shè)為2m/s，側(cè)面設(shè)為壓力出口；下半部分的3個邊界都設(shè)為“wall”，表示材料邊界。工作溫度設(shè)為298K，換熱系數(shù)設(shè)為2（圖3）。

圖2 高斯旋轉(zhuǎn)體熱源模型Fig.2 Gaussian rotor body heat source model

圖3 網(wǎng)格模型及邊界Fig.3 Grid model and boundary

圖4 初始化結(jié)果Fig.4 Initializing results

在Fluent主程序中通過加載UDF的形式將初始化代碼應用于以上網(wǎng)格模型，初始化的結(jié)果如圖4所示，模型上半部分呈藍色為空氣相，模型下半部分呈紅色為鋁鋰合金相，中間為分界面即為焊接熱源作用線，同時也是焊接熱源的路徑。焊接熱源選用自適應高斯旋轉(zhuǎn)體熱源，激光功率為2500W，焊接速度0.01433m/s。

試驗驗證與模型校驗

薄板鋁鋰合金激光深熔焊試驗采用碟片激光器（TruDisk 4001），試驗材料選用牌號為2060鋁鋰合金薄板，主要化學成分如表1所示，合金工件尺寸為100mm×20mm×2mm。正交試驗參數(shù)方案設(shè)計如表2所示，在整個焊接過程中離焦量保持0不變。

焊接試驗之前先用砂輪對焊接區(qū)域表面的氧化膜進行清理，再用銑床對鋁鋰合金邊緣進行銑削，并用清潔劑丙酮擦洗待焊試樣表面，自然風干。本試驗采用定位精度較高的機床，試驗采用Ar作為保護氣體，氣流量設(shè)定為15L/min。對易受力變形的部位采用點裝夾，圖5和圖6為裝夾裝置原理示意圖及設(shè)備圖，裝夾完畢后，打開保護氣體開始焊接。

試驗對照組焊縫宏觀形貌用相機拍攝，特用粗線標出熔合線部分能夠直觀表達出焊縫的宏觀形貌（圖7）?？梢钥闯黾す夤β试龃竽艽龠M熔深，焊接速度增加會降低熔深，且熔寬增加。

基于以上試驗結(jié)果，對焊縫的上下熔寬進行測量并制成折線圖，進而能夠直觀地觀察焊接工藝參數(shù)對焊縫宏觀形貌的影響。在測量的基礎(chǔ)之上，將上下熔寬繪制成直觀的折線圖，如圖8所示。

分析以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增加激光功率和減小焊接速度均可增大熔寬。同時，在2300W對照組中出現(xiàn)了未焊透缺陷，可以認為激光功率對熔寬的影響更大，大功率下薄板鋁合金焊縫的熔寬比小功率激光焊接顯著減小。

圖9為不同參數(shù)下校核熱源模型焊縫截面與實際金相的對照圖，其中圖9（a）焊接速度為2.6m/min，圖9（b）焊接速度為2m/min。根據(jù)實際激光焊接工藝參數(shù)和焊縫金相圖，實際工件經(jīng)過金相檢驗統(tǒng)計得到的熔寬分別為2.85mm和3.72mm。將模擬軟件進行熱源校核，模擬得到的激光焊接焊縫截面圖，可得出焊縫熔寬分別為2.91mm和3.75mm。對比可得試驗與模擬得到的2060鋁合金激光焊焊縫熔寬值相差較小。從模擬和實際焊接試驗中得到的焊縫形貌一致，且在模擬圖中能直觀地看出焊接過程中，焊接速度較小的試驗板材熔化的區(qū)域變得更加寬闊。

表1 2060鋁合金主要成分

表2 激光深熔焊試驗參數(shù)設(shè)計方案

圖5 試驗裝夾裝置原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of test clamping device

圖6 試驗裝夾裝置設(shè)備Fig.6 Test fixture device

圖7 焊縫宏觀形貌圖Fig.7 Weld macroscopic topography

不同焊接參數(shù)對流場形態(tài)的影響

1 激光功率對流場形態(tài)影響

圖8 不同功率下焊縫熔寬折線圖Fig.8 Width of the weld under different power

圖9 模擬熔池與焊接熔池對比Fig.9 Simulation of molten pool and welding pool comparison

設(shè)計正交試驗考慮的激光功率參數(shù)分別為2500W及2300W，在過程中保持焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)保持不變，對比不同工藝參數(shù)下所得到的焊縫質(zhì)量，找出激光功率對焊縫熔池形成以及焊縫成型和最終焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。

在模擬過程中，所選用的焊接速度為2m/min，焊接功率分別為2300W和2500W，其結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

如圖12所示，選自激光功率在2300W的條件下，焊接時間為40ms時焊縫熔池的形貌，試樣未焊透。激光束在試樣中形成封閉的匙孔空間，金屬蒸汽在封閉的空間中，對周圍熔化的金屬壁進行力的作用，目的是拓展匙孔空間，由于激光底部是封閉空間，因此，力沿匙孔壁的方向向上，主要作用于匙孔上部，將匙孔擴大，在氣相與固相的分界面處，液態(tài)堆積層增高。

如圖13所示，選自激光功率在2500W的條件下，焊接時間為40ms時焊縫熔池的形貌?？梢钥闯?，鋁鋰合金在更高功率的2500W下已經(jīng)被焊穿，同時在較高的功率下焊縫熔池變得相對不穩(wěn)定，產(chǎn)生一定的波動。而在2300W的焊接條件下其分界面處的液態(tài)堆積層相對于2500W時要高，這是因為在2500W的條件下板材被貫穿導致熔池塌陷進而使液態(tài)堆積層下降，并在后期的焊接步態(tài)中逐步達成穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。

結(jié)合前面所提及的模擬熔池，可以綜合分析得出：較大的激光功率下，熔池形成速度將會加快，但隨之帶來的是熔池擴展的不穩(wěn)定和流動的紊亂，進一步影響焊縫在凝固時結(jié)晶的大小和分布情況，最后對焊縫組織造成影響并影響到焊接接頭質(zhì)量。

2 焊接速度對流場形態(tài)影響

在焊接過程中設(shè)定除焊接速度以外其他工藝參數(shù)如激光功率、離焦量等保持不變，對比不同焊接速度條件下的焊接結(jié)果和仿真模擬結(jié)果進而得出焊接速度對熔池流場的影響機理。

圖10 激光功率2300W時焊縫熔池模擬圖Fig.10 Welding pool simulation map at laser power of 2300W

圖11 激光功率2500W時焊縫熔池模擬圖Fig.11 Welding pool simulation map at laser power of 2500W

圖12 未焊透試樣焊接過程熔池形貌成形原理圖Fig.12 Design of molten pool shape in welding process without solder penetration

圖13 焊穿試樣焊接過程熔池形貌成形原理圖Fig.13 Design of molten pool shape during welding process

圖14 焊接速度為2m/min時熔池模擬圖Fig.14 Welding pool simulation map at speed of 2m/min

圖15 焊接速度為2.6m/min時熔池模擬圖Fig.15 Welding pool simulation map at speed of 2.6m/min

圖14、15分別為兩種焊接參數(shù)下所得到的結(jié)果，其中圖14中焊接速度為2m/min，圖15中焊接速度為2.6m/min。選取自焊接時間為20ms時，從對比圖中可以看出焊接速度相對較大的模擬結(jié)果所呈現(xiàn)的熔池形貌相對紊亂，同時熔池小孔的深度也不如焊接速度較慢的對照組。這是由于熱輸入量大，導致熔池流動加快，且熔深增加。進而可以得出適宜的焊接速度使熔池小孔成形更好，使整個焊接過程熔池更加穩(wěn)定。

結(jié)論

通過對2060鋁鋰合金薄板激光焊接不同工藝參數(shù)的流場形貌的試驗模擬及分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過對熔池流場形貌的模擬，對比模擬與試驗結(jié)果，可以得到熔池流場形貌對焊縫成形的影響，從而完善焊接工藝，優(yōu)化焊縫質(zhì)量。

（2）激光功率對2060鋁合金平板對接的熔池形貌影響較大。激光功率小，熔池流場形態(tài)呈底部圓滑的“釘形”，空間較小，熔池流場不穩(wěn)定，熔池與空氣的分界面處液態(tài)對基層過高，且出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象；激光功率增大，焊縫熔深增加，“釘形”底部變尖，熔池空間擴大，流場相對較穩(wěn)定，熔池形貌良好。

（3）焊接速度相對較小的情況下熔寬會增加，然而焊接速度較大，熔池形貌相對紊亂。適當選取激光功率和焊接速度可令熔池小孔成型良好，使整個焊接過程中熔池更穩(wěn)定，避免焊接缺陷的產(chǎn)生，得到成形良好的焊縫，提高焊縫質(zhì)量。

（4）控制并選取適當激光功率與焊接速度，使焊接熔池流動穩(wěn)定，成形良好，有利于提高焊縫質(zhì)量。

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