传热学

镁合金激光-TIG复合热源焊接热源模型

学院：材料学院

专业：材料加工工程

学号：

姓名：

指导教师：

江苏科技大学

2015年4 月11 日

镁合金激光—TIG复合焊接热源模型与热过程

1 前言

镁合金被称为“21世纪绿色工程材料”。镁合金是目前被国内外重新认识并积极开发的一种轻量化材料,具有低密度、高比强度、阻尼减震性好、易机械加工以及良好的可回收性等优点。高效合理的镁合金焊接方法将大大推动镁合金的发展与应用。激光--电弧复合热源焊接具有高速、高效、接头质量优异等特点,目前正在被国内外的研究者日益关注。对这一过程的焊接数值模拟研究有助于更深层次地理解过程的物理机制,从而实现指导焊接工艺、控制焊接质量的目的。目前，YAG激光--TIG复合热源焊接AE31B镁合金已经被证明是一种可行而且高质量的焊接工艺[1], 迫切需要数值模拟工作对这一过程进行指导,并通过数值模拟更深层次的理解复合热源焊接这一过程。

但目前复合热源的数值模拟工作开展的却非常有限。其中一个主要原因是复合热源焊接热源模型一直解决得。首先，高能束激光焊接的热源模型虽然经过线热源、面热源、柱状热源乃至双椭球体热源的变迁,始终没有得到很好的解决; 其次激光、电弧两热源之间存在着一定的物理机制, 需要考虑热源之间的能量影响关系。

在复合热源焊接工艺研究的基础上,结合镁合金材料特点,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的复合热源模型:高能束激光热源由旋转高斯体热源描述;TIG电弧则由高斯面热源描述。热源模型的建立充分考虑了过程的物理特点与热源间的能量增强效应。

1.1激光--电弧复合热源焊接概况

激光--TIG电弧复合热源焊接的特点是YAG激光、TIG电弧这两种不同物理性质与能量传输机制的热源同时作用于焊接区。这种方法克服了单独采用激光和单独采用TIG电弧焊接的缺点,并且两种热源相互藕合获得了更大能量形式。其原理如图1.1。其在实践中的优点却是非常明显的:速度快,桥接能力强,焊接变形小,焊接过程稳定,焊接质量和效率高等[2-4]。

激光--电弧复合热源焊接方法由英国学者Steen提出于上世纪70年代末,他们首次采用相对低功率的CO2激光和TIG电弧进行了复合焊接。试验结果表明激光--TIG复合热源在一定程度上解决了激光能量利用率低,焊接厚度增大导致生产成本剧增的问题[5]。而后，美国、日本等国家的研究人员对激光一电弧复合热源焊接展开了较为深入的研究,发现在附加低成本电弧可以增加常规激光焊的焊接速度,或是改善一些特殊材料(如铝合金)焊接时的焊接性;激光束与电弧的夹角、电弧电流大小和输出形式、激光功率、排布方向、作用间距和电弧高度、保护气体流量等都是影响复合效果的主要因素[6]。

J. Matsudall[7]进行了一系列的激光与TIG电弧复合焊接的试验,对激光与电弧相对位置、光束聚焦位置等参数进行了讨论,认为单独TIG焊接时的咬边等缺陷得到了改善,并且复合焊缝熔深比单独激光焊接大1.3一2倍。Nait[8]分析激光--TIG 电弧复合焊接304不锈钢板的焊接特性。在焊接过程中监测了电弧电压的变化,同时还通过CDC摄像机和实时大连理工大学硕士学位论文射线监测观察到了电弧等离子体,激光致等离子体以及锁孔的特征和熔池的流动等特征。国内天津大学的赵家瑞教授[9]在这方面起步较早,1990年他们就利用CO2激光--TIG复合进行了2.3~厚的ICr18BigTi不锈钢复合焊接试验,并研究了激光与TIG电弧复合相互作用的机理。哈尔滨工业大学的陈彦宾教授等人先后开展CO2激光--TIG旁轴、向轴复合焊接试验[10]。大连理工大学对镁合金复合热源焊接性进行了深入的研究,探索出镁合金激光—氩弧复合热源新技术[11],并且就复合热源最佳能量配比关系等机理问题进行了更加深入的研究工作。

1.2常用焊接热源模型简介

（1）高斯热源分布模型

高斯函数的热流分布是一种比点热源更切实际的热源分布函数(如图1.2),因为它将热源按高斯函数在一定的范围内分布,其函数为:

q(r)=q(o)e-cr2

式中:q(r)为半径r处的表面热流;q(o)为热源中心处的热流量最大值;。为热源集中系数,是与焊接方法相关的常数;r为距热源中心的距离。

图1.2高斯热源分布模型

(2)双椭球热源分布模型

双椭球能量密度分布[12]的热源模式假设热源为椭球状分布(如图1.3),前半部分椭球能量分数为f f,后半部分椭球能量分数为f f。则在前半部分椭球内热源分布

对后半部分椭球分布:

图1.3双椭球热源模型

(3)旋转高斯体热源模型

采用电子束和激光束流进行加热的高能束焊接属于深熔型焊接过程。由于存在小孔效应,束流可以沿深度方向上对工件进行加热,因此在数值模拟中描述焊接热输入过程时多采用体热源模型,如双椭球热源模型、Guass圆柱热源模型和热流密度均匀分布的柱状热源模型等。与面热源模型相比,体热源模型考虑了深度方向上的能量吸收,因而能够获得较为准确的模拟结果。但是,在计算焊接温度场时,采用这些热源模型所计算出的焊缝(熔池)形状都是窄而长的,与实际焊接中得到的具有较大深宽比的“钉头”状焊缝有很大出入。当高能束流入射到工件表面时,近表面处的材料首先受到束流的急剧加热,熔化形成熔池,造成该处的有效加热半径较大;由于束流具有穿透机制,在沿工件深度方向上会形成窄长的匙孔,而匙孔内部的加热主要靠孔壁上的能量吸收,有效加热半径较小。以往的热源模型未能深入考虑这种能量分布方式,因此不能准确模拟高能束焊接过程温度场。然而,进行焊接过程数值模拟时,正确的热应力分析是建立在对焊接温度场准确分析的基础上的。以往研究结果认为,高能束焊接接头近缝区和热影响区的组织行为以及应力分布与焊缝形状有密切关系,应采用能够正确模拟实际焊缝形状的热源模型来进行数值模拟。

旋转高斯体热源[13]模型考虑了激光焊接小孔效应机制、匙孔壁的能量传递及其有效加热半径很小的物理特点。模型满足如下条件:(1)模型在Z向上的截面均为圆,且截面上的热流密度服从高斯分布,在圆心处的热流密度q(0,z)达到最大值;(2)Z轴上各处的热流密度值相同,即q(0,z)=const。热源有效作用区域内任意一点的热流密度值是热源高度,热源有效功率以及热源开口半径的函数。