高效焊接技术--激光GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟

高效焊接技术
--激光+GMAW 复合热源焊焊缝成形的数值模拟
弧焊高效焊接技术主要以提高熔敷效率和焊接速度为目的。

其中高熔敷效率焊接主要是在单位时间内熔化更多的焊接材料, 以提高焊接材料的熔化速度为目的的高熔敷效率焊接，代表工艺为T ．I ．M ．E ．焊接，主要用于厚板焊接；高速焊接是在提高焊接速度的同时提高焊接电流,以维持焊接热输人大体上保持不变，代表工艺以多丝弧焊技术为主，主要用于薄板焊接。

另外，复合热源和加活性助焊剂方法也成为高效焊接的主要研究方向，如激光复合焊、A —TIG 焊等。

激光——电弧复合焊最早是由英国的W ．Steen 于20世纪70年代末提出的，它将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补各自的不足，形成一种全新高效热源。

复合形式众多，根据激光电弧在焊接时的空间位置不同，可以
将复合形式分为旁轴与同轴。

主要的激光复合高效焊接技术方法如下图1所示
图1激光复合高效焊接方法
作为一种高能束焊接方法，激光焊以焊接速度快、生产效率高、焊接精度高、能量控制精确等良好的材料加工性能，以及易实现加工的自动化、柔性化等独特的优势，在汽车、造船、航空航天器制造、微电子等行业得到了大量应用。

但是，由于激光束焦点直径很小(一般为0.2—0.6 mm)，激光加热区域及工件中的受热熔化区域也很小，焊缝桥联能力差，对工件的装配提出很高的要求，因而在实际生产中的应用受到了较多的限制。

作为最常用的熔化极气体保护电弧焊GMAW，可以提供适量熔化的填充金属在对接间隙中搭桥或填充坡口，使焊缝具有很强的桥联能力，增强了对装配间隙变化的适应性，降低了对工件装配精度的要求。

GMAW 还具有应用范围广、设备投资和使用费用低等优点。

激光+ G M A W电弧复合热源焊接就是将激光焊接和G M A W结合起来实现优质高效焊接生产的一种新型的焊接成形工艺。

复合热源焊接过程中G M A W 提高了焊缝的搭桥能力，增强了适应性；而激光焊采用深熔焊接模式，高能激光束在熔池中产生小孔、稳定电弧、保证能量稳定准确地输出，从而可以保证在高速焊接条件下获得理想的焊缝熔深和规则的焊缝成形。

相对于纯激光焊，可以以较低的激光功率通过与电弧复合焊接获得相同熔深的焊接接头，而激光功率的降低则町以节能、降低投资和生产成本。

因此，激光+ G M A W电弧复合热源焊接是一种优质高效的焊接方法，具有广阔的市场应用前景和很强的竞争力，是当前国际高效焊接技术研究的热点。

近年米，欧盟、美国、日本、韩国、澳大利亚及俄罗斯等国家都纷纷投入大量资金开展激光+ G M A W电弧复合热源焊接技术的研究，以期使其更广泛地应用于人批量生产制造中。

但是，激光+ G M A W 电弧复合热源焊接的研究工作目前人多只集中于工艺本身，对一些共性的科学问题还缺乏系统深入的研究，这在一定程度上限制了激光+ G M A W 电弧复合热源焊接技术的推广和应用．
通过对实验结果和文献资料的分析发现，住复合热源焊接时，焊缝横断面成形的上、下部分分别主要由电弧和激光的热作用所决定，即：熔深主要取决于激光深熔焊接过程形成的小孔效应，而熔宽主要取决于电弧的热流分布。

为了建立复合热源焊接的体积热流分布模式，首先应对纯激光深熔焊接的体积热源分布模式及其对焊缝成形的影响进行研究。

本文提出了几种新颖的、适用的激光深熔焊接热源模型，为下一步分析和建立激光+ G M A W电弧复合焊接的热源作用模
式奠定了基础。

自激光电弧复合焊接发明者Prof. Steen 和他同事在利物浦大学发表第一篇关于增强激光电弧焊接已经过去25年了。

在这些年来，通过一个混合焊炬将MIG/MAG（金属熔化极惰性气体保护焊/金属熔化极活性气体保护焊）电弧加入到集中的激光辐射中，MIG/MAG已经逐渐成为最合适激光电弧复合焊接的电弧种类。

在焊接过程中，热，动量和熔融填充材料通过MIG/MAG焊接方法转移到焊接区，用来加强焊接激光束的深渗透作用。

在激光电弧复合焊接中，激光束和电弧建立并推动一个共同的熔池向前形成焊缝，如图2所示。

图2激光电弧复合焊接进程示意图
图3为集成混合型焊接喷嘴原理图，该工艺气体流出环形通道流进靠近同轴的激光束的喷管嘴喉道。

通道内有一个可以让气体均匀扩散分布的孔径促进气体流进入焊接区。

这样，横向的空气吸力（即文丘里效应）得到避免的同时保证了焊接区域得到有效的保护。

考虑到现有的各种不同的焊接任务，定制混合工艺和设备是有必要的。

图4展示了几种工业上选择使用的特别定制集成混合型焊接喷嘴。

图3 集成混合型焊接喷嘴原理图
图4 采用集成喷嘴设计的标准定制
的复合焊接头
1 激光深熔焊缝形状的特点分析
采用连续灯泵浦的Nd ：YAG固体激光器在8mm厚的碳钢板上进行堆焊实验，试件部分熔透。

激光波长1.06um,输出聚焦透镜焦距为200mm,焦点直径为0.6 mm，离焦量△z=1mm。

当激光功率为1.8kw 、焊接速度为1.0 m/min时，焊缝横断面形状的金相照片如图5所示。

由图可见，激光焊缝的深宽比大，这是由于激光焊接过程中在熔池中产生小孔效应而造成的，对此必须加以考虑。

但是，小孔的形成和维持是一个非常复杂的非线性光能量-材料耦合作用过程，是能量和力动态平衡的结果，是激光深熔焊接过程中焊缝成形的决定性因素，也是目前激光焊接研究的一个焦点和难点。

虽然已有若干理论模型，但由于涉及的问题极其复杂，这些模型都是在做了不同简化假设的情况下建立起来的，还不能很好地解决问题。

本文从宏观的传热过程出发，根据激光焊缝断面形状的实验结果，将重点放在构建合适的体积热源分布模式，以反映小孔对焊缝成形的实际影响，从而能够计算出符合实际的激光焊缝形状与尺寸。

5
2 激光深熔焊接的体积热源作用模式
根据图 5 所示的激光焊缝横断面特点，激光热源的作用模式应该采取某类
旋转体体积分布。

采用柱坐标系（r，z）描述这类旋转体。

体积热源沿工件厚度
方向（z轴）作用，其主要特点是：
（1）热流作用区域的半径r0（z）：任工件上表面，热流作用区域最大；存
工件某一深度处（与热源高度H相对应），热流作用区域最小。

即沿工件厚度方
向，热流作用区域的半径r0（z）以某种规律衰减。

（2）热源中心轴上的热流密度值q m（0,z）: 在热源中心轴（z 轴）上，
热流密度值q m（0,z）以某种规律变化。

激光焊接过程中，当产生小孔时，激光
在小孔表面多次吸收和反射，小孔底部接受的能量较高。

考虑这一特点，在工件
上表面（z= z e），热流值是q m（0, z e）；在工件某一深度处（与热源高度H 相对
应，z = z i，H = z e -z i），热流值q m（0, z i）较大。

即存在一个比例系数x
在热源高度范围内任一z坐标处，热流密度值q m（0,z）以某种规律在q m（0, z e）
和q m（0, z i）之间变化。

（3）在垂直于热源中心轴（z 轴）的任一平面内（径向r ），热流密度以G a u s s 函数分布
式中，q m（0,z）为中心轴上的热流峰值，r0（z）为热流分布参数。

表征激光焊接热作的体积热源，是一系列热流峰值q m（0,z）和分布参数r0
（z）按某种规律不断变化的Gauss热源沿工件厚度方向积分叠加而成的。

那么，
从工件表面出发，r0（z）和q m（0,z）沿工件厚度方向的变化方式确定后，式（2）
就有具体的形式，从而确定出适用的体积热源模式。

根据激光深熔焊缝成形的特
点，本文提出热流峰值q m（0,z）和分布参数r0（z）可分别按线性和曲线两类模
式变化，其热源模式示意图如图6所示。

2．1 “锥体～峰值指数递增”式热源模型
图6a所示的“锥体—峰值指数递增”式热源模型的特点是，热源作用半径r0（z）沿焊件厚度方向呈线性减小趋势(即热源作用区域为锥体)；热源中心轴( 轴)上，热流密度峰值q m（0,z）以指数规律递增。

据此特点，经一系列推导，可得出热流分布函数
式中，r e 和r i 分别为锥体上、下表面的半径；z e 和z i 分别为锥体上、下表面的z 坐标；Q=ηP （其中，η为激光热效率，P 为激光功率）为有效热输入；
r=
2．2 “对数曲线旋转体—峰值线性递增”式热源模型
在图6b 中，热源作用半径沿焊件厚度方向按对数曲线衰减；热源中心轴（z 轴）上，热流密度峰值以线性规律递增。

据此特点，经一系列推导可得出热流分布函数
图6锥体热源模式和曲线旋转体热源模式示意图
2．3 “抛物线旋转体—峰值线性递增”式热源模型
在图6b中，热源作用半径沿焊件厚度方向按抛物线规律衰减；热源中心轴（z轴）上，热流密度峰值以线性规律递增。

据此特点，经一系列推导可得热流分布函数
2．4 “双曲线旋转体—峰值双曲线递增”式热源模型
在图6b中，热源作用半径沿焊件厚度方向按双曲线规律减小；热源中心轴（z轴）上，热流密度峰值以双曲线规律递增。

据此特点，经一系列推导可得热流分布函数
通过数值模拟，根据激光焊接温度场的计算数据，确定出激光焊缝的形状尺寸。

对于一组工艺条件（激光功率2 k w，焊接速度1.0 m /min，低碳钢板厚8mm），实验测试出激光焊缝横断面形状和尺寸如图7所示。

同时，基于本文构建的激光体积热源模型计算出激光焊缝横断面，将实验结果和计算结果进行比较，计算结果与实验结果吻合较好。

因此，本文构建的激光焊接热源的体积热流分布，即“锥体—峰值指数递增”式、“对数旋转体—峰值线性递增”式、“抛物线旋转体—峰值线性递增”式、“双曲线旋转体—峰值双曲线递增”式，均能够较好地反映出激光深熔焊接过程热源时焊缝成形的作用，是激光深熔焊接数值模拟中可采用的体积热流分布模式。

图7 激光深熔焊缝横断面。