張國(guó)濱，姜夢(mèng)，陳曦，陳奧，雷正龍，陳彥賓

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

激光和電子束作為高能束焊接熱源，在中厚板焊接方面具有顯著優(yōu)勢(shì).激光由于適合柔性加工、加工效率高等特點(diǎn)在近年來(lái)備受關(guān)注，但是一般情況下，激光焊接無(wú)論在熔透深度還是在焊接質(zhì)量方面較電子束焊接均存在差距[1].隨著大功率激光器的快速發(fā)展，目前可供激光焊接使用的萬(wàn)瓦級(jí)固體激光器已經(jīng)出現(xiàn)超過(guò)10 年，而且近幾年十萬(wàn)瓦級(jí)別的激光器已經(jīng)在售[2].但大功率激光焊接普遍存在焊接過(guò)程不穩(wěn)定、焊接缺陷頻發(fā)等問題，目前中厚板焊接仍多采用多層多道焊接[3-5]，大功率激光全熔透焊接在中厚板焊接方面應(yīng)用不多.因此，如何實(shí)現(xiàn)中厚板單道高質(zhì)量全熔透焊接是高功率激光焊接推廣應(yīng)用的一個(gè)主要難題.

為改善高功率激光焊接的焊接質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了許多解決方法，例如附加輔助磁場(chǎng)[6-8]、擺動(dòng)光束焊接[9-11]、優(yōu)化保護(hù)氣體[12]、采用橫焊[13]、采用激光-電弧復(fù)合熱源[14]等，但以上方法的改善效果均十分有限.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為真空激光焊接是解決高功率激光焊接應(yīng)用瓶頸的有效手段.真空激光焊接的概念最早由日本大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所(JWRI) Arata 教授提出，距今已經(jīng)有超過(guò)30 多年的歷史[15].當(dāng)時(shí)，此新概念的提出是為了抑制高功率CO2激光焊接嚴(yán)重的等離子體.當(dāng)時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)：真空環(huán)境不僅可以抑制等離子體，還可以顯著增加熔深.但由于20 世紀(jì)90 年代激光焊接技術(shù)剛處于起步階段，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，真空激光焊接技術(shù)沒有引起廣泛關(guān)注.2001 年大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所的Katayama 等人[16]研究了真空環(huán)境對(duì)于激光焊接缺陷的改善效果.2010 年以后，隨著大功率固體激光器的出現(xiàn)，真空激光焊接受到了越來(lái)越多的關(guān)注.德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的學(xué)者Reisgen 等人[17]對(duì)比了相同熱輸入下電子束和真空激光焊接的熔深.德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的學(xué)者B?rner 等人[18]研究了環(huán)境壓力對(duì)焊接飛濺的影響規(guī)律.國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了環(huán)境壓力對(duì)焊縫成形、羽輝行為、匙孔行為和熔池行為的影響規(guī)律[19-20].

目前在真空激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外雖然開展了一些研究，但仍主要集中在平板堆焊條件下環(huán)境壓力對(duì)焊縫成形和焊接熱物理過(guò)程變化的影響規(guī)律，鮮有關(guān)于采用真空激光焊接技術(shù)進(jìn)行中厚板全熔透焊接的研究，更缺乏對(duì)常壓和真空環(huán)境就激光焊接殘余應(yīng)力和變形的對(duì)比研究.文中采用工藝試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)比研究了常壓和真空環(huán)境下中厚板全熔透激光焊接焊縫成形、殘余應(yīng)力和變形的差異，以展現(xiàn)真空激光焊接在中厚板全熔透焊接上的優(yōu)勢(shì).

1 試驗(yàn)方法

1.1 工藝方案

為開展真空激光焊接試驗(yàn)研究，在常規(guī)大功率激光焊接系統(tǒng)基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)并制造了小型真空艙室，形成真空激光焊接系統(tǒng).采用的激光器為IPG YLS-10000，其最大輸出功率10 000 W，波長(zhǎng)為1 070 nm.采用的激光頭聚焦距離460 mm，理論光斑直徑為0.46 mm.真空室上方設(shè)置了激光耦合窗口，激光通過(guò)耦合窗口進(jìn)入真空室，同時(shí)真空室內(nèi)安裝了一維數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，依靠平臺(tái)移動(dòng)完成焊接過(guò)程.真空室配備機(jī)械泵和羅茨泵兩級(jí)泵組，可以快速實(shí)現(xiàn)0.1～ 101 kPa(常壓環(huán)境壓力) 范圍內(nèi)任意設(shè)置環(huán)境壓力.

使用的材料為在中厚板結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的Q690高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分如表1 所示.試驗(yàn)采用的兩個(gè)焊接試板尺寸均為150 mm×200 mm×10 mm，形成300 mm×200 mm×10 mm 的焊接工件.焊前采用機(jī)械打磨的方式對(duì)材料表面進(jìn)行了清理.首先在平板對(duì)接條件下進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，獲得環(huán)境壓力對(duì)焊縫熔深的影響規(guī)律，然后針對(duì)10 mm 厚Q690 高強(qiáng)鋼分別在常壓和真空環(huán)境下進(jìn)行了對(duì)接全熔透工藝試驗(yàn).

表1 Q690 高強(qiáng)鋼材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of Q690 high-strength steel

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

為對(duì)比研究常壓和真空環(huán)境下全熔透激光焊接的殘余應(yīng)力與變形，通過(guò)有限元軟件建立了對(duì)接試樣1∶1 模型，由于兩個(gè)試板尺寸均為150 mm ×200 mm×10 mm，因此模型整體尺寸為300 mm ×200 mm×10 mm.網(wǎng)格劃分采用C3D8T 溫度-位移耦合六面體單元，焊縫位置處劃分為加密網(wǎng)格，向外過(guò)渡到母材部分劃分為稀疏網(wǎng)格，以降低計(jì)算成本.建立模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1 所示，共257 000 個(gè)網(wǎng)格單元.

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分(mm)Fig.1 Meshing of the finite element model

1.2.2 材料屬性與邊界條件

不同環(huán)境壓力下，焊件換熱方式有所區(qū)別：常壓環(huán)境下，設(shè)置為對(duì)流換熱與輻射換熱，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為12 W/(m2·℃)，材料表面輻射率設(shè)置為0.35，環(huán)境溫度為20 ℃；真空環(huán)境下對(duì)流換熱可以被忽略，因此換熱方式僅有輻射換熱，輻射率設(shè)置為0.35，環(huán)境溫度為20 ℃.兩種環(huán)境壓力下對(duì)流換熱、輻射換熱符合公式[21]

式中：P為激光總功率；h為對(duì)流換熱系數(shù)；n為工件外表面法向量；T,T0分別為工件表面和周圍環(huán)境溫度；ε為材料的輻射率；σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)，恒等于5.67×10-8W/(m2·K4).

工件夾持方式為四角夾持固定，并在冷卻10 000 s后釋放.模擬計(jì)算過(guò)程中采用的Q690 高強(qiáng)鋼熱物性參數(shù)參考文獻(xiàn)[22-23].

1.2.3 熱源模型

常壓環(huán)境下，激光作用于材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈光致等離子體，對(duì)材料吸收激光能量的程度造成影響，因此，采用Gauss 面熱源模擬匙孔表面等離子體，釘子形體熱源模擬激光熱源.采用的面熱源能量密度表達(dá)式為

式中：qm是面熱源的最大熱流密度；a為材料對(duì)能量的吸收率；Qs為面熱源功率；r為面熱源任意一點(diǎn)到熱源中心的距離；rs為面熱源的作用半徑.釘子形體熱源的任一水平截面上的能量密度表示為

真空環(huán)境下，由于等離子體被有效抑制，等離子體對(duì)激光能量吸收的干擾可以忽略不計(jì)，故采用錐形體熱源模擬真空環(huán)境激光熱源.錐形體熱源的任一水平截面上的能量密度表示為

2 結(jié)果與討論

2.1 常壓/真空中厚板激光焊接焊縫成形特性

目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為降低環(huán)境壓力可以顯著提高激光焊接的熔深[16-17,24].為驗(yàn)證這一現(xiàn)象，文中在激光功率為8 kW，焊接速度為1 m/min 的條件下，研究了環(huán)境壓力變化對(duì)激光焊接熔深和表面成形的影響規(guī)律.如圖2 所示，隨著環(huán)境壓力的降低，焊縫橫截面的熔深顯著增加，熔寬顯著降低，深寬比明顯增大，在真空下獲得的焊接接頭展現(xiàn)出了與電子束焊接極其類似的形狀.熔深的增加與環(huán)境壓力降低后沸點(diǎn)降低、羽輝行為抑制和反沖壓力變化等因素相關(guān).在常壓環(huán)境下，激光焊接的熔深為7.16 mm，而1 和0.1 kPa 下的熔深為16 mm 左右.相同熱輸入的條件下，環(huán)境壓力為1 kPa 時(shí)可以得到常壓環(huán)境下2 倍以上的熔深，并且從環(huán)境壓力對(duì)熔深的影響規(guī)律可以看出：存在1 kPa 這一臨界環(huán)境壓力，當(dāng)環(huán)境壓力低于這一臨界環(huán)境壓力，熔深幾乎不再增加.因此之后的真空環(huán)境下激光焊接試驗(yàn)與數(shù)值模擬在0.1～ 1 kPa 范圍內(nèi)的環(huán)境壓力下進(jìn)行.

圖2 環(huán)境壓力對(duì)焊縫橫截面及熔深的影響規(guī)律Fig.2 Effect of ambient pressure on weld cross section and penetration depth under different atmospheric pressures

中厚板大功率激光全熔透焊接存在焊接缺陷頻發(fā)、工藝區(qū)間窄等問題[25]，而真空激光焊接可以顯著改善這一系列問題.為凸顯真空激光焊接在中厚板全熔透焊接的優(yōu)勢(shì)，文中分別在常壓和0.1 kPa真空環(huán)境下開展了10 mm 厚Q690 高強(qiáng)鋼全熔透焊接的對(duì)比試驗(yàn).經(jīng)工藝優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，常壓環(huán)境下，只有在激光功率為10 kW、焊接速度為1.5 m/min 的一個(gè)很窄的工藝區(qū)間內(nèi)時(shí)，才可以獲得背部無(wú)焊瘤的焊接接頭，如圖3 所示，焊縫正面仍存在些許下榻.在同樣的焊接速度下，真空環(huán)境下獲得的焊縫橫截面如圖3 所示.由于真空環(huán)境對(duì)焊縫熔深的增加效果，因此只需6 kW 的激光功率即可獲得一個(gè)焊接質(zhì)量較好的全熔透接頭.通過(guò)對(duì)不同環(huán)境壓力下全熔透激光焊接的研究，可以證實(shí)：低真空環(huán)境下可以顯著改善全熔透接頭的成形質(zhì)量，并明顯降低熱輸入.

圖3 常壓和真空下10 mm 高強(qiáng)鋼全熔透焊縫橫截面對(duì)比Fig.3 Comparison of the cross section of fullpenetration high-strength steel welds obtained at different ambient pressures.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

2.2 常壓/真空中厚板激光焊接殘余應(yīng)力與變形

2.2.1 模型驗(yàn)證與溫度場(chǎng)分布

為校驗(yàn)有限元模型的準(zhǔn)確性，分別對(duì)常壓和真空環(huán)境下試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的焊縫橫截面進(jìn)行對(duì)比(圖4).圖4a,4b 中不同顏色對(duì)應(yīng)圖例中不同溫度，灰色標(biāo)記的區(qū)域?yàn)闇囟却笥谝合嗑€溫度(1 520 ℃)的區(qū)域，即為焊縫橫截面.數(shù)值模擬獲得的常壓和真空環(huán)境下焊縫上熔寬分別為4.00,2.44 mm，而試驗(yàn)獲得的實(shí)際結(jié)果為4.10,2.69 mm.對(duì)比試驗(yàn)和模擬獲得的焊縫橫截面可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬所獲得的結(jié)果無(wú)論是焊縫形狀還是焊縫尺寸均與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)，這證實(shí)了文中采用數(shù)值模型的準(zhǔn)確性.

圖4 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)獲得的焊縫截面對(duì)比Fig.4 Comparison of the numerically calculated and experimentally observed weld cross section.(a) numerical result at atmospheric pressure;(b) numerical result at vacuum; (c) experimental result at atmospheric pressure; (d) experimental result at vacuum

圖5 為數(shù)值模擬獲得的常壓和真空下熔池上表面溫度場(chǎng)分布情況.由圖5a 可以看出，常壓環(huán)境下激光焊接熔池略呈現(xiàn)典型的“前端寬，后端窄”的“彗星拖尾形狀”[26]，而真空環(huán)境下激光焊接熔池則呈現(xiàn)均勻橢圓狀.在熔池長(zhǎng)度上，相比于常壓環(huán)境的9 mm，低真空環(huán)境的6 mm 減小了約33%.由于焊接參數(shù)和環(huán)境氛圍的綜合作用，低真空下的熔池長(zhǎng)度更短，寬度更窄.

圖5 數(shù)值模擬的溫度場(chǎng)分布Fig.5 Numerically calculated temperature fields.(a)atmospheric pressure; (b) vacuum

2.2.2 縱向殘余應(yīng)力

圖6 給出了常壓和真空下數(shù)值模擬的工件上表面縱向殘余應(yīng)力分布云圖.由圖可知，兩種環(huán)境壓力下得到的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)“接頭拉、母材壓”的分布，但是在分布水平上存在差異.在激光焊接過(guò)程中，高能量密度激光束使得金屬材料熔化，熔池后端金屬凝固結(jié)晶后，金屬冷卻收縮，受到沿焊接方向結(jié)構(gòu)的拉伸應(yīng)力，隨著冷卻時(shí)間增加，拉伸應(yīng)力值不斷變大，最終形成一定水平的殘余拉應(yīng)力，同時(shí)焊接接頭外的母材區(qū)域均呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力分布，使得工件整體應(yīng)力分布均勻.常壓環(huán)境下工件上表面縱向殘余拉應(yīng)力峰值約為500 MPa，真空環(huán)境下約為250 MPa；常壓環(huán)境下殘余拉應(yīng)力分布區(qū)域?qū)挾茸畲笾导s為17 mm，真空環(huán)境約為9 mm.相比于常壓環(huán)境，真空環(huán)境下得到的工件在焊接接頭處殘余拉應(yīng)力水平顯著降低，分布區(qū)域顯著變窄.

圖6 試件上表面縱向殘余應(yīng)力分布Fig.6 Longitudinal residual stress distribution on the top surface of the samples.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

為了觀察試樣內(nèi)部殘余拉應(yīng)力分布情況，提取了焊縫方向距試驗(yàn)起點(diǎn)100 mm 處橫截面的縱向殘余應(yīng)力分布.圖7 即為該橫截面上常壓和真空環(huán)境下激光焊接接頭區(qū)域縱向殘余應(yīng)力分布對(duì)比云圖模擬結(jié)果.由圖可知，無(wú)論是常壓還是真空環(huán)境，縱向殘余應(yīng)力峰值均存在于焊接接頭內(nèi)部，但是常壓環(huán)境下縱向殘余應(yīng)力峰值位于熔合線附近，而低真空環(huán)境下位于焊縫內(nèi)部中心處.對(duì)于縱向殘余應(yīng)力，兩種環(huán)境壓力下在橫截面上均呈相對(duì)焊縫中心的對(duì)稱分布.常壓環(huán)境下的應(yīng)力水平明顯高于真空環(huán)境，同時(shí)在焊縫區(qū)域，常壓環(huán)境下縱向殘余應(yīng)力峰值約為800 MPa，而真空環(huán)境下縱向殘余應(yīng)力峰值約為700 MPa；相比于試樣上表面的應(yīng)力分布，橫截面分布云圖更直觀精確地體現(xiàn)了二者在縱向殘余拉應(yīng)力分布區(qū)域?qū)挾壬系牟町悾涸诤附咏宇^最上側(cè)，相比于常壓環(huán)境，真空環(huán)境下縱向殘余拉應(yīng)力分布寬度最大減小約74%；在焊接接頭最下側(cè)，相比于常壓環(huán)境，低真空環(huán)境下縱向殘余拉應(yīng)力分布寬度最大減小約77%，上下側(cè)減小幅度近似.

圖7 焊縫橫截面縱向殘余應(yīng)力分布Fig.7 Longitudinal residual stress distribution on the weld cross section.(a) atmospheric pressure; (b)vacuum

為更加直觀呈現(xiàn)常壓和真空環(huán)境下工件外表面縱向殘余應(yīng)力分布情況，對(duì)圖7 所示橫截面上表面不同位置縱向應(yīng)力分布數(shù)值進(jìn)行了提取，沿垂直于焊縫方向提取繪圖路徑，結(jié)果如圖8.圖中紅色點(diǎn)線代表真空環(huán)境，藍(lán)色點(diǎn)線代表常壓環(huán)境.由圖可知，常壓環(huán)境下，距離焊縫中心線-6～ 6 mm 區(qū)間，是峰值縱向殘余拉應(yīng)力分布區(qū)間，最大值可達(dá)573 MPa，同時(shí)向外延伸，距離焊接接頭很遠(yuǎn)的母材處殘余壓應(yīng)力水平約為40 MPa；真空環(huán)境下，距離焊縫中心線 ± 2 mm 區(qū)間，是峰值縱向殘余拉應(yīng)力分布區(qū)間，最大值達(dá)到371 MPa，向外延伸，距離焊接接頭很遠(yuǎn)的母材處，呈現(xiàn)約20 MPa 的殘余壓應(yīng)力.

圖8 距離焊縫中心不同位置的縱向殘余應(yīng)力Fig.8 Variation of longitudinal residual stress at different positions from the center of the weld

綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果顯示真空環(huán)境下工件的縱向殘余拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布水平及峰值均低于常壓環(huán)境，且拉應(yīng)力作用范圍更窄.

2.2.3 橫向殘余應(yīng)力

圖9 給出了常壓和真空環(huán)境下激光全熔透焊接工件上表面橫向殘余應(yīng)力分布結(jié)果.由圖可知，與縱向殘余應(yīng)力分布相似，兩種環(huán)境下的橫向殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)“接頭壓，母材拉”的規(guī)律，但在應(yīng)力水平上也存在差異.焊接接頭區(qū)域呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力分布，在焊縫處達(dá)到最大值，從焊接接頭向外，在鄰近區(qū)域呈現(xiàn)沿焊縫長(zhǎng)度方向分布的殘余拉應(yīng)力；常壓下拉應(yīng)力水平顯著高于真空，前者峰值約為400 MPa，而后者僅約為100 MPa，相比于常壓，真空下橫向殘余拉應(yīng)力峰值降低了約75%；在焊縫中心處，常壓下橫向殘余壓應(yīng)力峰值約為250 MPa，而真空下可達(dá)到約500 MPa.

圖9 試件上表面橫向殘余應(yīng)力分布Fig.9 Transverse residual stress distribution on the top surface of the samples.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

依照縱向殘余應(yīng)力在焊接接頭內(nèi)部出現(xiàn)峰值的規(guī)律，圖10 給出了與圖7 相應(yīng)的焊縫橫截面橫向殘余應(yīng)力分布.由圖可知，常壓下橫向殘余拉應(yīng)力水平顯著高于真空.兩種環(huán)境下橫向殘余拉應(yīng)力峰值分布均呈現(xiàn)“中心+四角”5 點(diǎn)分布現(xiàn)象，以5 點(diǎn)為中心，劃分為5 個(gè)高拉應(yīng)力區(qū)域，常壓5 個(gè)區(qū)域清晰可見，但真空下僅有中心區(qū)域拉應(yīng)力分布明顯，而4 個(gè)角落區(qū)域則水平不高，分布不明顯，即便如此，兩種環(huán)境下5 點(diǎn)分布寬度幾乎一致，均約為20 mm；無(wú)論是常壓還是真空，焊縫內(nèi)部中心處均存在橫向殘余拉應(yīng)力峰值，且峰值近似，約為300 MPa，焊接接頭外，常壓呈現(xiàn)約為180 MPa 的拉應(yīng)力分布，而真空呈現(xiàn)約為200 MPa 的壓應(yīng)力分布，可以推斷出真空下在焊接接頭內(nèi)部及鄰近區(qū)域，殘余拉應(yīng)力分布僅限于焊縫內(nèi)部中心，而常壓下拉應(yīng)力分布區(qū)域覆蓋整個(gè)焊接接頭區(qū)域以及鄰近區(qū)域.

圖10 焊縫橫截面橫向殘余應(yīng)力分布Fig.10 Transverse residual stress distribution on the weld cross section.(a) atmospheric pressure;(b) vacuum

提取圖10 中焊縫橫截面上表面橫向殘余應(yīng)力數(shù)值，如圖11 所示，直觀地體現(xiàn)出兩種環(huán)境壓力下“接頭壓、母材拉”的殘余應(yīng)力分布情況.由圖可知，在距離焊縫中心線約 ± 4 mm 區(qū)間內(nèi)，常壓下殘余壓應(yīng)力峰值為170 MPa，延伸至距焊縫中心線7 mm 處，殘余拉應(yīng)力水平達(dá)到最大值255 MPa；在距離焊縫中心線約 ± 2 mm 區(qū)間內(nèi)，真空下殘余壓應(yīng)力水平峰值達(dá)到460 MPa，向外延伸4 mm 達(dá)到峰值殘余拉應(yīng)力，約為70 MPa.因此，相比于常壓，真空下殘余拉應(yīng)力峰值降低了約72%，殘余壓應(yīng)力峰值增大了約170%；母材區(qū)域中，常壓下的殘余拉應(yīng)力水平較高，距離焊縫中心線越遠(yuǎn)，值越低，從距離焊縫中心線6 mm 處的255 MPa 下降至30 mm處的57 MPa，而真空則可以忽略母材部位的殘余拉應(yīng)力分布.結(jié)果表明，焊接接頭處，尤其是焊縫區(qū)域，真空下橫向殘余壓應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于常壓，在接頭外母材區(qū)域，常壓下分布著更高更顯著的殘余拉應(yīng)力.

圖11 距離焊縫中心不同位置的橫向殘余應(yīng)力Fig.11 Variation of transverse residual stress at different positions from the center of the weld

2.2.4 變形

焊接變形的存在直接影響到工件的服役和使用性能，因此文中也針對(duì)常壓和真空環(huán)境下的中厚板全熔透焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.焊后經(jīng)冷卻后，常壓環(huán)境和真空環(huán)境下工件的變形云圖分布如圖12 所示.兩種環(huán)境下工件均呈現(xiàn)中間收縮下凹、向外延伸變形逐漸減小、直到邊緣處減小為零的變形分布規(guī)律，但是在變形程度上存在差異：相較于常壓環(huán)境，真空環(huán)境下激光焊接能量輸入更為集中，焊縫寬度更窄，沿厚度方向熱分布更均勻，因此得到的工件整體外觀變形趨勢(shì)更小；常壓環(huán)境下，焊接接頭區(qū)域收縮下凹變形最大值約為0.9 mm，而真空環(huán)境約為0.7 mm，降低了約22%.因此，相較常壓環(huán)境，真空環(huán)境下激光全熔透焊接得到的工件整體變形量更小.

圖12 外觀變形云圖Fig.12 Calculated deformation distribution.(a) atmospheric pressure; (b) vacuum

由于厚板本身對(duì)激光全熔透焊接產(chǎn)生的縱向收縮有著很大的約束作用，因此，在兩種環(huán)境壓力下對(duì)應(yīng)的工件縱向收縮量很小，可以忽略不計(jì)，因此采用橫向收縮量對(duì)兩種環(huán)境壓力下工件變形程度進(jìn)行對(duì)比分析.

在距離焊縫中心線2.5 mm 處沿焊接方向取一路徑，并作出此路徑上兩種環(huán)境壓力下工件橫向收縮模擬對(duì)比曲線，如圖13 所示，通過(guò)計(jì)算可得，在工件上表面，常壓環(huán)境下橫向收縮量平均值約為0.110 mm，真空環(huán)境下約為0.049 mm；在工件下表面，常壓環(huán)境下橫向收縮量平均值約為0.068 mm，真空環(huán)境下約為0.005 mm.相對(duì)于常壓環(huán)境，真空環(huán)境下工件上下表面的橫向收縮量分別減小約55%和93%.由于工件上表面焊縫寬度大于下表面，因此在兩種環(huán)境壓力下，工件上表面的橫向收縮量均大于下表面；同時(shí)，由于常壓環(huán)境下焊接熱輸入遠(yuǎn)大于真空環(huán)境，因此無(wú)論在工件的上表面還是下表面，常壓環(huán)境下的橫向收縮量均遠(yuǎn)大于真空環(huán)境，甚至常壓環(huán)境下工件下表面的橫向收縮量大于真空環(huán)境下工件上表面的橫向收縮量.因此，可以進(jìn)一步證明：相比于常壓環(huán)境，真空環(huán)境下激光全熔透焊接得到的工件變形程度更小.

圖13 真空和常壓下焊縫橫向收縮量Fig.13 Transverse shrinkages of the weld joints obtained under atmospheric pressure and vacuum

3 結(jié)論

(1) 隨著環(huán)境壓力降低，焊縫熔深增加，熔寬降低，深寬比顯著增加，并存在臨界環(huán)境壓力1 kPa，低于這一環(huán)境壓力時(shí)，焊縫橫截面輪廓以及熔深幾乎不再變化.

(2) 真空環(huán)境下可以將常壓環(huán)境高強(qiáng)鋼中厚度板材全熔透激光焊接所需功率由10 kW 降低到6 kW，在顯著降低激光功率的同時(shí)還提升了焊縫成形質(zhì)量.

(3) 數(shù)值模擬和試驗(yàn)獲得的焊縫橫截面，無(wú)論是焊縫的尺寸還是幾何形貌均對(duì)應(yīng)良好，同時(shí)計(jì)算證明，真空下的熔池長(zhǎng)度比常壓的熔池長(zhǎng)度縮短大約33%，所建立有限元模型的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證.

(4) 常壓環(huán)境和真空環(huán)境呈現(xiàn)出類似的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，即縱向“接頭拉、母材壓”，橫向“接頭壓、母材拉”，但是真空環(huán)境下工件的縱向、橫向殘余拉應(yīng)力峰值均顯著低于常壓環(huán)境，而接頭橫向殘余壓應(yīng)力峰值顯著高于常壓環(huán)境，同時(shí)真空環(huán)境下的工件變形也更小.