（材料加工工程专业论文）铝合金激光脉冲gmaw复合焊热过程的数值模拟.pdf

原创性声明 x i 豫y 撼2 憾7 憾a 豫。嘲s m t 剐s 嘲| 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：理箜明日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鍪雪至蜩导师签名： 日期：掣 山东大学硕十学何论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章引言1 1 1 选题意义1 1 2 铝合金的主要焊接方法1 1 3 激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊2 1 4 复合焊热过程的数值模拟5 1 5 研究内容9 第2 章铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊工艺试验。1 1 2 1 复合热源焊实验系统：1 1 2 2 复合热源焊工艺实验1 2 2 3 本章小结1 9 第3 章铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊接热传导模型2 1 3 1 控制方程与边界条件2 1 3 1 1 控制方程2 1 3 1 2 边界条件2 2 3 2 适用的体积热源模式2 3 3 3 小孔模型的改进2 4 3 4 离散化处理2 9 3 4 1 网格划分：2 9 3 4 2 控制方程的离散3 0 3 4 3 迭代格式3 3 3 5 程序框图3 3 3 6 本章小结3 3 第4 章数值分析结果与实验验证3 5 4 1 小孔模型改进的效果3 5 4 2 复合焊温度场与焊缝成形的模拟结果3 7 4 3 纵向温度分布4 8 4 4 本章小结5 0 第5 章结论与展望5l i 目录 5 1 结论5 1 5 2 展望5 2 参考文献5 3 致 射5 7 附录5 9 1 脉冲g m a w 电弧热输入。5 9 2 熔滴热焓：6 1 3 采用光线追踪法确定小孔形状尺寸6 2 4 基于小孔形状尺寸确定激光体积热源参数6 6 5 焊缝余高与熔池自由表面变形。6 7 i i 山东大学硕十学何论文 铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊热过程的数值模拟 摘要 采用激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊新工艺来制造铝合金焊接结构，对于大 幅度提高焊接加工效率和实现结构轻量化有广阔的应用前景。为此，急需研究铝 合金复合热源焊接的工艺机理。对铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊热过程 进行数值模拟，将为优化焊接工艺参数和保证焊接质量提供理论依据，具有重要 意义。 本文根据铝合金大功率激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊接的特点，考虑了金 属蒸气羽的影响，对原有小孔模型进行改进，提高了激光焊接小孔形状与尺寸的 计算精度。利用计算出的小孔形状尺寸对激光体积热源分布参数进行标定，同时 适当处理脉冲g m a w 热输入和熔滴热焓量的分布，建立了复合热源焊接的组合 式体积热源模型。 基于复合焊的组合式体积热源模型，建立了铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合 焊接热过程的数值分析模型。运用f o r t r a n 语言编写程序，对高强铝合金的复 合热源焊接温度场和焊缝成形进行数值模拟，获得了多种工艺条件下焊接温度 场、焊缝成形以及焊接热循环曲线的数据。 开展了6 0 0 5 a 高强铝合金复合热源焊工艺试验，获得了不同工艺条件下铝 合金复合热源焊缝横断面的形状和尺寸。对所建立的铝合金复合焊热过程模型进 行了实验验证，焊缝形状尺寸的计算结果与实验结果总体吻合良好。 关键词：复合热源焊，大功率激光焊，组合式体积热源，高强铝合金，小孔，焊 缝成形，温度场 摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e r m a lp r o c e s si nl a s e r + p u l s e d g m a w h y b r i dw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n go fa l u m i n u ma l l o ys t r u c t u r e sb yl a s e r + p u l s e dg m a wh y b r i d w e l d i n gi so fw i d ea p p l i c a t i o n sf o rg r e a t l yi m p r o v i n gt h ew e l d i n ge f f i c i e n c ya n d r e a l i z i n gw e i g h tr e d u c t i o n u n d e r s t a n d i n go ft h ep r o c e s sm e c h a n i s mi nh y b r i d w e l d i n go fa 1a l l o y si se a g e r l yn e e d e d i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oc o n d u c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h et h e r m a lp r o c e s s e so fh y b r i dw e l d i n g ，i no r d e rt op r o v i d et h e t h e o r e t i c a lb a s i so fp r o c e s so p t i m i z a t i o na n dw e l dq u a l i t yc o n t r 0 1 w i t hc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp o w e rl a s e r + p u l s e dg m a wh y b r i d w e l d i n go fa 1a l l o y s ，t h ee f f e c to fm e t a ls t e a mp l u m eo nt h el a s e rp o w e ra b s o r p t i o ni s d e a l t 谢m ，t h ep r e v i o u sm o d e lo fk e y h o l ep r o f i l ei si m p r o v e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o n a c c u r a c yo fk e y h o l ep r o f i l e i nl a s e rw e l d i n gi se n h a n c e d t h ed i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r so fv o l u m e t r i ch e a ts o u r c e f o rl a s e rb e a mi sc a l i b r a t e db yu s i n gt h e c a l c u l a t e dk e y h o l ep r o f i l e i na d d i t i o n ，t h eh e a ti n p u tf r o mp u l s e dg m a wa n d o v e r h e a t e dd r o p l e t sa r et r e a t e dp r o p e r l y , a n dt h ec o m b i n e dv o l u m e t r i ch e a ts o u r c e m o d e lf o rh y b r i dw e l d i n gi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ev o l u m e t r i ch e a ts o u r c e m o d e lf o rh y b r i dw e l d i n g ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e r m a lp r o c e s s e si nl a s e r + p u l s e dg m a w h y b r i dw e l d i n go f a 1a l l o y si s d e v e l o p e d t h ew e l df o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l di sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d t h ed a t aa b o u tw e l df o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a lc y c l e s a r eo b t a i n e df o rv a r i o u sw e l d i n gc o n d i t i o n s f o rh i g hs t r e n g t h6 0 0 5 aa 1a l l o y s ，h y b r i dw e l d i n gt e s t sh a v eb e e nc o n d u c t e d t h et r a n s v e r s ec r o s s s e c t i o ns h a p ea n ds i z eo ft h ew e l d su n d e rv a r i o u sw e l d i n g c o n d i t i o n sa r em e a s u r e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei n g o o da g r e e m e n t 、村t h h 山东大学硕十学仲论文 e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e do n e s ，s ot h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y b r i dw e l d i n g a l u m i n u ma l l o y sa r ev a l i d a t e d k e yw o r d s ：h y b r i dw e l d i n g ，h i g hp o w e rl b w , p u l s e dg m a w , c o m b i n e dv o l u m e t r i c h e a ts o u r c e ，w e l df o r m a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，k e y h o l e ，a 1a l l o y s 1 i i i v 摘要 山东大学硕十学何论文 1 1 选题意义 第1 章引言 结构轻量化对于实现交通和运载工具的节能、高效有重要意义。轻量化的主 要途径之一就是采用铝合金材料【l 】。铝合金在汽车、航天和船舶中的应用不断增 加。而对铝合金的加工首先就要解决铝合金的焊接问题。传统的铝合金焊接主要 采用气焊、氩弧焊、等离子弧焊等焊接方法，但是这些焊接方法效率低、变形大、 可焊铝合金种类有限。而单独的激光焊接铝合金，存在反射率高、搭桥性能差、 气孔等问题。近年来，激光+ 熔化极电弧复合热源焊工艺用于铝合金，复合焊不 仅综合了激光焊和熔化极电弧焊的优点，还能产生额外的能量协同效应。既发挥 了激光焊接的高速度、大熔深等优点，又充分利用了电弧焊接搭桥能力强、适应 性强的优点【2 】。但是目前对激光+ 熔化极电弧复合焊的研究主要集中在工艺方面， 即通过实验方法来获得合适的工艺参数，对于内部机理方面的研究还较少。由于 激光+ 熔化极电弧复合焊接的工艺参数增多( 除了包含单激光焊和单电弧焊的工 艺参数外，还具有因两种工艺复合出现的新工艺参数，如光丝间距、电弧和激光 相对位置以及两者之间的角度等【3 】) ，如果仅通过试验方法来实现工艺优化，则 实验量大、成本高，而且得出的结果只能适用于特定的工艺条件。采用数值模拟 技术并且辅以少量实验验证的方法，通过研究焊接热过程和熔池形态，可以获得 焊接工艺参数与焊缝成形之间的定量关系，能够节省大量的人力、物力。对铝合 金激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊进行数值模拟，将为铝合金结构焊接加工的工 艺优化提供理论基础，因而具有十分重要的理论意义和实用价值。 1 2 铝合金的主要焊接方法 由于铝合金具有独特的物理化学性能，在焊接过程中存在一系列困难和特 点【4 - 引。主要有：强的氧化能力；高的热导率和导电性；线膨胀系数很大；铝合 金在3 7 0 。c 左右时强度和塑性很低，不能支持熔化状态的熔液重量而使焊缝成型 不良，甚至形成塌陷、烧穿等缺陷；合金元素易蒸发和烧损。所以在实际生产中， 第1 章引言 寻找一种好的焊接方法非常关键。 m i g 焊、t i g 焊是目前生产中常用的铝合金焊接方法。铝合金的t i g 焊是一 种成熟的铝合金焊接方法，经历了直流正接( 钨极接负) 、直流反接交流、脉冲 到变极性t i g 焊的发展历程。m i g 铝合金焊方面，也由普通的m i g 焊开发出的焊 接新工艺如：大电流m i g 焊、等离子m i g 焊、细焊丝m i g 焊及脉冲m i g 焊。 在一些发达国家，对于大功率高性能激光加工设备的进行了大量的研制开 发，对于铝合金激光焊接技术应用研究非常有意义，对铝合金采用激光焊接将是 焊接发展的主要方向之一。 铝合金熔焊可以得到较高的焊接速度，应用范围广，但熔化焊焊缝为铸态组 织，且焊接接头在热循环作用下组织变化大，造成接头力学性能下降，尤其是可 热处理铝合金。此外熔焊铝合金时接头的热影响区宽变形大、易产生缺陷、成本 高及接头的颜色与母材有差异。于是英国焊接研究所( t w i ) 在1 9 9 1 年提出了搅 拌摩擦焊这一工艺【9 】，可是对某些特殊位置的焊接比较困难，焊接结构形式单一， 效率较熔焊低，而且这方面的工艺研究尚处于起步阶段。 近年来，人们将激光+ 电弧复合焊接技术用来焊接铝合金。激光+ 电弧复合焊 接工艺是上个世纪7 0 年代末由英国学者s t e a m 1 0 1 提出，激光复合焊工艺主要有 激光与t i g 电弧、m i g 电弧及等离子体的复合。用激光和电弧两种焊接工艺复 合来焊接铝合金，由于激光与电弧的相互影响，复合焊可以克服每一种方法自身的 不足，并且具有两种焊接工艺所没有的独特性能，即所谓的复合效应。主要表现 在复合焊显著提高焊接效率，这主要基于以下两方面，一是高的能量密度导致了 高的焊接速度，其次是两种热源同时作用在一个相同区域。 1 3 激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊 如图1 1 所示，激光+ g m a w 复合热源焊是由激光深熔焊和脉冲g m a w 两种工 艺组合而成，但并不是两种焊接工艺的简单叠加，而是通过其有机结合达到 “1 + 1 2 ”的协同效应，表现在一下两个方面： ( 1 ) 电弧预热提高激光热效率：温度影响金属材料的光学特性，当温度升高 时，金属对激光能量的吸收率非线性增长。在复合焊中，由于电弧的预热作用， 可以提高激光热效率。 2 i 力：人j i f 西! “、j ! ：f _ 【 仑支 b 5 i e fi m l u c t , , c l p r o t e 柏v eo 幽1 1 激) 匕+ g m a w 复合热i i ( 女y - 示意图 ( 2 ) 激光稳定电弧：激光能量密度很高，在焊接过程中引起金属蒸发，形成 人量的金属等离子体，从而为电弧提供良好的导电通道，对电弧有强烈的吸收和 收缩作用，可以减小引弧压力，降低场强，增加电弧稳定性。由于收缩作用，使 得电弧的热流密度增大，进步增大了熔深。 哈尔滨焊接研究所的霄振等义寸激光与m t ( ；a ( ；复合热源焊接的优，一? 、i 以及| 1 前 的j 、v 用情况作了介绍1 ，着币概括总结了影响激光j mj ( ：a ( ；复f 焊接的卜要i ： 艺索，主要包括激光功二簪、焊接电流、焊接速度、光毖间距、f 葛焦镶、激光1 j 电弧甜| 寸位罱、a c d c 焊接电流、破口的形状和尺、j 等。 陈俐等通过对不锈钢y a g m a ( ：激光电弧旁轴复合：i ：艺进行研究1 1 2 i ，讨论了激 光和i 乜弧的复彳 作1 j ，通过对比r 靼热源焊和复合焊，分析激光助：每、激光焦点位 霄、 乜流、焊接速度、两热源征i - f t ：表呖上作 j 的f 、 _ i j j f i ! 、热源的排列力。弋等i ：艺 参数对焊缝成形和焊接过程的影h 向。 尹志l t 等采j 卧6 0 0 5 a 锚合金进 j 二焊接试验| l 引，刘焊接接岁i 进行了j 学性 能榆测和金像! j 蔑微组织观察，6 0 0 5 a 钭：合金焊接接头焊缝两侧距焊缝一t 1 心约10 一l5 1 1 3 1 1 1 的地方存仡对对称的软化，这足i ”j ：焊接热使陔部分强化4 ： 1 卡豇f 发 t 了 过时效。艾m 粥! 缝t t l 心t i 粒半h 人，活近陌虫含线附近棚对干f l j 小。 ”i 弘：等对j ? 针；f 金激光复f 消# 进行了系列研歹4 舶i ，讨论j 人助二钲激 比焊i 唯“f ? 企和铡村刈。激光n ，j 吸收j ：，激比复f ? 蚪t1 升j ，f 小f ，j 作川以及激光_ | ! 身j 、jj ? i = f 乡乡烀；f t , t 卜f i ：j0 杉f 4 ，i 冬l1 2 为t 1 ( j 1 f 。干i i 铤f ? ，上。j if ，7 7 。j 二体一址彰 乡。ih ：，i 冬】1 3 为3 3k w 1 ( ) ( ) a i i , j 灯；池t 1n ，j t 容f 小渐i r 力 第1 章引言 图1 2t i g 焊和复合焊中等离子体l ” 蚓1 3 激光复合烨熔池中的熔体流动” o n o ；手i i s h i n b o 等时激光电弧复合焊接的发展进 j 二了研究【1 7 j 。和单一激光焊相 比，应用激光 乜弧复合焊接门丁以较好的搭接焊钢扳，剀1 4 为激光功率3k w ，电 弧f 乜流为10 0a 焊接速度为1m l m i n t , 寸，所得到的焊缝宏观照片一。 图1 4 复台焊接、激光哗手电弧。哗0 的磺断面形状 山东大学硕十学何论文 1 4 复合焊热过程的数值模拟 焊接是一个涉及多种学科的复杂物理化学过程。随着计算机技术的发展， 通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解 以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，已成为研究焊接过程物 理机制的重要途径，为焊接科学技术的发展创造了有力的条件。电子计算机的发 展推动了数值分析在焊接热过程中的应用。数值分析法能够处理焊接过程中各种 复杂的边界条件、热源分布和非线性问题，具有解析法不可比拟的优势1 8 之1 1 。 复合热源焊内部物理机制相对于单种焊接工艺更加复杂。不仅涉及电学、传 热和力学。还和光学有关。而且电弧、激光和熔滴三者之间的相互作用以及小孔 的存在都对熔池的动态行为产生重要的影响。基于其焊接过程复杂性和实验条件 的限制性，研究复合焊作用机理和优化焊接工艺都需要借助数值模拟技术。 陈陶采用有限差分方法数值分析了激光对材料加热作用的过程【2 2 1 ，建立了 激光材料中激发瞬态温度场的隐格式有限差分模型，该模型考虑了激光作用过程 中材料热物理参数依赖与温度的特性，得到了材料中瞬态温度场分布曲线。为激 光加工提供了理论基础。 金湘中在假定小孔为圆柱形的基础上，通过跟踪光线在小孔内的多次反射轨 迹，对激光深熔焊过程中小孔内金属等离子体的反韧致辐射吸收进行了研究【2 3 1 。 小孔孔壁通过等离子体的反韧致辐射吸收的激光功率密度主要取决于等离子体 对直射激光的反韧致辐射吸收，小孔孔壁的多次反射光只对小孔下部孔壁的激光 功率密度分布有一些影响。随着聚焦透镜焦距的增大，小孔孔壁上吸收的激光功 率密度峰值减小，但分布区域向小孔深处推移。最后。对小孔孔壁上吸收的激光功 率密度与小孔的尺寸之间的关系进行了讨论。d , i l 的尺寸取决于孔壁上吸收的激 光功率密度大小。激光功率密度越大，小孔直径越大。 l e e 和k o 通过对定点激光焊小孔形成和稳定进行数值模拟，采用了光线追踪 法对小孔内的多次反射进行考虑，并对焊缝表面成形流体流动和温度场进行了数 值计算【2 4 1 。在蒸发反冲力、表面张力等共同作用下产生小孔。在激光功率为5 0 0 w 或者更高时，d , i l 壁上产生凸起，最终导致d , i l 崩溃，并在底部产生气孔。 a c h e b o 对5 4 5 6 铝合金c 0 2 激光焊中小孔形状进行了数值模拟【2 5 】。激光热输入 是小孔形状、焊缝熔深和熔合区形态的重要影响因素。在设定的试验条件下得到 5 第1 章引言 的熔合区宽度和高度分别为4 2 6m m * h 1 0 4m m 。这和9 ：际情况比较吻合。 z h o u 和t s a i 利用高斯平面热源和激光焊d , - ：l 模型组合，通过求解能量方 程、动量方程和连续性方程并利用v o f ( v o l u m eo f f l u i d ) i - 去模拟计算了激光+ m i g 复合热源固定焊过程中填充金属与熔池的相互作用及相应的温度场和流场1 2 6 j 。 计算结果表明，熔滴f l , 勺3 j h 入改变了熔池的流动及温度分布，进而对熔滴在熔池中 的扩散f 图1 5 ) 及熔池的形状、均匀性产生影响，同时复合焊时，熔滴a , 勺j o n 入 可以抑制小孔塌陷形成。但是模型也没有考虑激光和电弧的相互作用对两者热流 分布的影响，而且由于小孔模型假定小孑l 中的蒸气压力为常数，近似为大气压力， 因此仪适j j 于小功率的激光。 矧1 5 熔滴住熔池l n e j j r 敞过刚m 刳1 6 计算得至0 熔i 也【勺? t i 占l l 场e c h o 和n a 则建一王了。个激光+ g m a w 复合焊热源模型，并利目jf l o x 、一3 d 咖荨姒弧强喜：眦眦瞰呲。啡圈目 第1 章引言 源相瓦耦合作用刚。但计算过干旱对电弧热和激光热输入都采用高斯平面热源， 且忽略了熔滴热焓的作用，这显然与实际焊接过程不符。 e e0 n y ( m m ) y ( m m ) 图1 85 18 2 铝合金实验和模拟结果对照l 纠i 曲 姜幼卿等人利j 高斯甲面热源结合高斯旋转体热源对厚板铝合金激光+ m i g 复合焊温度场进行了计算【3 1 l ，但忽略了熔滴热焓的作用i 和电弧与激光之间的午目 互作用。 肯罔祥等人从宏观角度研究了适用于激, l _ , _ r 二r 1 1 1 , 寸t - , t 1 皿佝四种组合式热源，然后通 过组合式热源来模拟激光+ g m a w 复合热源焊接阻33 | 。分别对激光束、电弧和过 热熔滴提出了相应的热作j j 模i i = ，然后把二种热作用模工i = 集成，构建组合式体积 热源：利用有限差分求解热传导力程，模拟了准稳态焊的温度场2 亏熔池形状进行 了数值模拟计算。得到电弧前方激光束附近焊接温度场横截面旱现激光焊的特 点：电弧中心轴附近焊接温度场是电弧热、熔滴热焓和激光热共同作仁甘的结果： 电弧后方的焊接温度场横截面主要呈现f 乜弧焊的特，一j ，i ： 在实际h 对于激光+ 咏冲g m a w 焊接的数值模拟研究仍处于起步阶段， 而对于铝台余的大功牢激光复合焊研究的更少： 山东大学硕十学何论文 1 5 研究内容 针对铝合金复合焊接的研究现状及存在的问题，本文主要研究铝合金中板6 千瓦级n d ：y a g 激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊接热过程的数值模拟。主要内容包 括数学建模、温度场及焊缝成形的数值模拟。 ( 1 ) 考虑铝合金激光焊接的特点，对现存的小孔模型加以改进，对小孔内激 光能量的吸收与小孔壁蒸发损失加以恰当处理，提高小孔形状尺寸的计算精度。 ( 2 ) 基于所建立的铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊热源模型，对铝合金复合 热源焊接准稳态温度场进行数值分析，获得焊缝和热影响区的形状尺寸、以及热 循环曲线。 ( 3 ) 开展铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊工艺试验，对模拟结果加以实验验 证。 9 第1 章引言 i li ；j jj 、产硕j i f f 沦艾 第2 章铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊工艺试验 本文首先丌腱j ，6 0 0 5 a 高强钳j 合金激光+ 脉冲tg m a w 复合热源焊工c i i - , i 瓮， 考察焊接j r 艺参数对焊缝成形的影响，获得1 ：州i - q 乙t - 刃7 训i t ：钒合会焊缝横断嘶的形 状己寸，为验证数值分析结果奠定琏础。 2 1 复合热源焊实验系统： 铝合会激光+ 脉冲g m a w 焊接j 1 ：艺试验是在哈尔滨焊接研究所激光紊进行 的，实验所用的激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊机头如图2 1 所示。脉冲g m a w 焊接电源为f r o n i u st p s 5 0 0 0 数字化i 乜源，对于一j 芭材料和直径的焊丝，焊接t 乜 流、电弧电压、送丝速度等焊接规范参数可实现一体化渊= 市。激光为额定功率为 6 k w 的光纤【蒯体激光器，激光波长为1 0 7i x m ，激光枪在前，脉冲g m a w 焊枪 往后；激光枪前倾1 0 。，两枪峡角4 0 ，光一丝间距为4m m 。焊丝牌。乡为e r 5 0 8 7 ， 直径为1 2m m ，密度为2 6g c m 2 ，焊幺幺i f 二# i t tk 为18m m 。保护气体为纯a r 7i 。 在板厚为1 2m 1 1 1 “u t - i 。j7 h 。会板上进行复 b h j - f i ：焊9 ：验。川ij 八l i 冬q f l 刑t l 为6 0 0 5 a ，成 分如表2 1 所示。 引2 1 激比+ 脉冲( ；m a w 砭, 含7 , 4 t i j j ；i j ：7 f - 十il _ i 一 第2 章锅合金激光+ g m a w 复合焊t 艺试验 表2 16 0 0 5 a 铝合金的化学成分( w t ) g m a w 为脉冲焊，焊接过程中，记录脉冲频率、峰值电流、基值电流、占 窄比等参数。在焊接过程中利用汉诺威分析仪( a hn i x ) 对焊接参数电信号进行 检测，分析了脉冲模工划咄旱接过程稳定性的影响。通过对汉诺威分析仪采集的焊 接电流、焊接电压概牢密度分布图及其波形图分析，获得了最佳的焊接参数。图 2 2 是汉诺威焊接质量分析仪截屏。 攀9 咛p e r a r n 。e t e l 望e a s u | e m m e v a l u a t i o n o p t i o r 。6 邕r , d o w h e l p 型掣 堡划鱼 劐型刿到剧剑型到型 i i 0 00 1 3 ：2 6 3 9 圆煳b , y l e s m 戳t e 甜d 口a l i o n ：鲴2 s j o m u h2 0 0 0 舅塑叫j 囝j 鱼型i 塾竺竺塑型里竺：i 匿蜀函系函面丽：i 写1 2 2 6 a m 2 2 复合热源焊工艺实验 复合焊主要工艺参数较多，激光功率、焊接电流、焊接速发变化，选择二个 具有代表意义、焊缝成形良好的值进行试验。焊接电流和电弧f 乜压取一个脉冲周 期内的半均值。 表2 2 复台热i 啄埠i ：艺参数 l2 1 1 1 力i 人。j ：f 够j 。j ：f 节沦支 ( 1 ) 工艺条1 7 t ：p 1 ： 该r 艺条件卜的焊接工艺参数如表2 2 所示。其r t ，脉冲g m a w 的脉冲峰 值电流为2 8 7 4a ，基值电流为8 5 8a ，脉7 q # i 4 - - 为2 0 4h z 。i 鞫2 3 为工艺条件 p 1 时测是的焊接电流波形图和焊缝形貌。 ( 2 ) l ? 艺条什1 ) 2 ( a ) 焊接电流波形图 ( b ) ，1 射彤虢 冬l2 3 _ | = 1 t i 立i u 溉i ；) 是j i 。j 士 句芏j kj f t , fi ，岂条f 个p 1 ) 第2 章铝合金激光+ g m a w 复合焊t 艺试验 该工艺条件下的焊接工艺参数如表2 2 所示。其中脉冲峰值电流为2 8 5 8a ， 基值电流为8 1 2a ，脉冲频率为2 0 6h z ，图2 4 为p 2 号试样电流波形示意图和 焊缝形貌。 ( a ) 焊接电流波形图 ( b ) 焊缝形貌 i 到2 4 蚪接电流波形与毋# 缝成形( i 艺条件p 2 ) ( 3 ) 工艺条件i1 ： 改j ：艺条件下的焊接l ：艺参数如表2 2 所示。其中脉冲峰值电流为2 51 2a ， 基值电流为4 8 9a ，脉冲频率为1 11h z ，图2 5 为1 1 号试样脉冲i 乜流波形示意 f 訇和焊缝形貌。 1 1i 尔人。、纠颐f j j ! t f 沦文 ( a ) 焊接电流波形图 ( b ) w 与芏形貌 、 【_ j2 5 焊接l 乜流波形。硝仁缝成形( i ：艺条仆1 1 ) ( 4 ) i ：艺条f t 二1 2 ： 该二i _ 艺条件下的焊接一艺参数如表2 2 所示。其t ，脉冲峰值 乜流为3 2 8 7a ， 填俩i u 流为115 6a ，脉冲频率为2 6 2h z ，图2 6 为1 21 3 试样j 冰冲l 乜流波形巧 意i _ 冬】和焊缝形貌。 第2 章铝合金激光+ g m a w 复合焊 ：艺试验 ( b ) 焊缝形貌 幽2 6 焊接电流波形与焊缝成形( 上艺条件1 2 ) ( 5 ) t 艺条件v 2 ： 该工艺条件下的焊接：j ：艺参数如表2 2 所示。其中脉冲峰值电流为3 6 0 3a ， 基值电流为1 4 1 3a ，脉冲频率为2 7 7h z ，图2 7 为v 2 号试样电流波形示意幽 和焊缝形貌。 ( a ) 焊接| 乜流波形图 ( b ) 焊缝形貌 图2 7 焊接电流波形1 j 。哗缝成形( i 。芝条件v 2j ( 6 ) i ：2 条件v 3 ： 该工艺条件下的焊接工艺参数如表2 2 所示= 其中隙：中峰值电流为3 6 6 7a ， | | 1 尔人、川- 负引+ 沦之 堰f i i u 沥i 为15 0 4 八，脉冲形吹牢为2 8 611 7 ，i s l2 8 乃v 3 。，叫命条f i ：i - j b i 0 , t i u 浙i 波 形劁和焊缝形貌。 ( a ) 焊接电流波形i 纠 ( b ) 焊缝形现 l 刳2 8 焊接l 乜流波形与焊缝成形( 1 艺条什7 3 ) 试验完成后，如图2 9 所示，将焊接试样切丌，然后将其打磨、抛光、腾蚀， 对j i6 0 0 5 a 铝合会采用的腐蚀液为2 h f + 3 i c l + 5 i _ n 0 3 水溶液，最终甜i i j 7 t i 焊缝横断面的宏观照片。图2 1 0 所足不州试验条什f 复合焊焊缝横断l f i 宏脱金 4 1 j _ ! ! ；。 冬】2 9 f 1 披垃义i 式十rf 川j 仪f 一| r 1 1 ，j ：，一薯l 冬i 第2 章铝合金激光+ g m a w 复合焊t 艺试验 ( a ) p 1 号试样 ( c ) i l 号试样 ( e ) v 2 ，f ，i 试样( n7 3 号试样 图2 1 0 锅台金复台焊焊缝横断面宏观金相照片 山图2 10 可以看出，各个焊接参数条件下复合焊焊缝 一部较宽，具有电弧 焊焊缝特征；下部狭窄，呈现激光焊焊缝特，r _ 。表2 3 是铝合会在各t 艺条件卜 的焊缝熔深和熔宽的实验结果。可见随着激光功率的增加，熔深和熔宽均有增加， 熔深增加明昆。电弧平均电流的增加主要使得熔宽增加，而熔深基本玎：变。随着 焊接速度的增! j 口熔深和熔宽均略有减少：由此说明对于激光+ 日_ j ：冲g m a w 山东大学硕十学位论文 复合热源焊，熔宽主要由脉冲g m a w 形成，而熔深则由激光焊控制。仅靠单一 的热源模型无法合理的描述复合焊热作用特征，需要建立适用的组合式体积热源 模型，我们在第三章将重点介绍。 表2 3 铝合金复合焊焊缝熔深和熔宽实验结果 2 3 本章小结 利用激光+ 脉冲g m a w 复合焊接1 2 m m 厚铝板，焊后制作金相图片，采集了 不同工艺参数下的焊缝形状与尺寸，观测了不同焊接参数对于焊缝成形的影响， 为数值模拟结果的实验验证提供了基础数据。 1 9 第2 章铝合金激光+ g m a w 复合焊t 艺试验 i 【j 东大学硕十学何论文 第3 章铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合焊接热传导模型 激光+ 脉冲g m a w 复合焊接作为两种焊接工艺的有机结合体，其内部的物 理机制和单种焊接工艺相比，变得更加复杂。不仅涉及到传热学、流体动力学、 电磁学、光学、等离子体物理学等，而且脉冲电弧、激光束和过热熔滴三部分热 输入相互作用以及小孔的存在都能对熔池行为和焊缝成形产生重要的影响。对复 合焊热过程进行数值模拟，需要抓住工艺因素的主要特点，对模型进行必要的简 化。本章重点放在如何建立合适的小孔模型和复合焊接的体积热源分布模型，建 立了准稳态条件下复合焊接热过程的热传导模型，并编写了数值分析程序。 3 1 控制方程与边界条件 3 1 1 控制方程 激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊接涉及到复杂的物理化学过程。若考虑因素 过多，那么模拟计算量将非常巨大，也很不现实，还可能导致计算无法进行。为 了简化计算，重点放在建立准确和适用的体积热源模型上；在模拟计算过程中仅 考虑准稳态条件下的热传导问题，而不考虑熔池内的流体流动；假设工件的热物 理参数均为常数，不随温度变化。 图3 1 是激光+ 脉冲g m a w 复合焊接过程示意图。以脉冲g m a w 焊丝轴线 与工件上表面的交点为坐标原点，建立移动坐标系 彤力，x 轴沿焊接方向，y 轴 垂直于焊接方向，z 轴沿工件的厚度方向。 则焊接热传导方程为： 阵( _ 罢 = 吖窘+ 矿a 2 t + 窘 + 如y 一( 3 - 1 ) 胪，r 瓦j 瑚【萨+ 矿+ 可j 叼”纠 式中，p 为焊接工件的密度，c ，为定压比热容，为焊接速度，丁为温度，七为 导热系数，g g ，y ，z ) 为组合式体积热源的分布函数。 组合式体积热源模型是对电弧、过热熔滴和激光束能量的综合描述。激光热 2 l 山东大学硕十学佗论文 为对流和辐射热损失的综合散热系数，瓦为环境温度。 在工件下表面，考虑了对流和辐射热损失，其边界条件如下： 一七鍪：嘞( 3 - 7 ) 一庀瓦一 工件前后和左右侧面： 一七娶：g 盯( 3 - 8 )一庀_ 2g 盯 对于y = 0 平面，考虑到其对称性，取一半的工件作为计算区域，则： -=at_：0(3-9) 哕 激光+ 脉冲g m a w 复合焊过程中，熔池表面产生变形，焊丝熔化和熔滴过 渡增加了熔池液态金属的体积，熔池后部隆起的液体凝固之后形成焊缝余高。余 高部分的面积受送丝速度，一焊丝半径和焊接速度v o 的影响。关于熔池表面 变形和焊缝余高的详细计算【3 4 3 6 1 参见附录。 3 2 适用的体积热源模式 铝合金激光焊+ 脉冲g m a w 复合热源热传导模型的关键问题，是如何确定 方程( 3 - 1 ) 中的体积热源分布函数q ( x ，y ，z ) 。要建立适用的体积热源分布函数 q ( x ，y ，z ) ，首先要解决两个问题：一个是作用n t 件上的热源能量究竟有多少； 另一个是作用于工件上的热量如何分布的。解决了这两个问题，才能更好地进行 数值模拟3 7 3 引。 对于铝合金激光+ 脉冲g m a w 复合热源焊接进行数值模拟，要求合理地描 述脉冲电弧和激光热输入分布模式，并考虑到两种焊接工艺复合后的相互影响。 对于整个工件来说，热输入来自于激光束、电弧以及过热熔滴这三个部分，因此 我们建立的复合热源模型必须包括以上三个部分，并根据其各自的特点建立相应 的热源模型，构建适用的组合式体积热源模型。即，激光+ 脉冲g m a w 复合焊 接热源模型的热输入有以下三部分组成： ( a ) 由于脉冲g m a w 电弧的作用，采用两个双椭圆分布的电弧热流，作用 于焊件表面。考虑到峰值和基值电流交替作用对焊件吸收电弧热量的影响，在电 2 3 第3 章铝合金激光+ g m a w 复合焊t 艺试验 弧作用范围内适当减小了焊件表面节点厚度方向的热导率【3 9 1 。 ( b ) 双椭球体积热源分布热源：将熔滴热焓作为双椭球体热源，考虑到 g m a w 焊枪与焊件表面的倾斜角度，双椭球体积热源中心与激光热源中心重合。 此部分热量等于过热熔滴热焓，且均匀分布在双椭球体内【3 9 1 。 ( c ) 对于激光热输入部分，采用峰值指数递增的锥体热源；该锥体热源作 用于从熔池表面的最大下凹处到工件深处。锥体热源的分布参数，通过d , - t l 模型 来标定【3 9 1 。 在体积热源模型的建立过程中，本文主要是根据大功率激光铝合金焊接的特 点，对原来的小孔模型做出了改进。 3 3 小孔模型的改进 k a p l a n t 4 0 】通过考虑小孔壁不同部分吸收的激光能量与由小孔壁通过热传导 传入焊件的能量之间的平衡条件，建立了模拟非对称小孔的简易模型。该模型简 化考虑了激光在小孔内的多次反射、孔壁对激光能量的f r e s n e l 吸收以及小孔内 金属等离子体对激光的反韧致辐射吸收。 胥国祥等将光线追踪技术2 7 1 与k a p l m a 小孔模型相结合，改善了k a p l a n 模型 的适用性和准确性，但也同样简化了小孔内金属等离子体的吸收1 3 9 】。胥国祥的 处理方法，具体参见附录2 。 但是，铝合金激光焊接，有独特的工艺特点，仍需要对已有的小孔模型【3 9 】 做出适当的改进，而这正是本文的重点。 对于高强铝合金大功率激光复合焊接，与一般钢材相比，铝合金对单一y a g 激光束( 波长1 0 6 山r n ) 反射率很高，接近8 0 4 1 1 。由于对激光反射率大、且热 导率高，在实际铝合金的激光焊接过程中，一般采用大功率激光，并且要保证良 好的光束聚焦。 ( 1 ) 小孔内激光能量的吸收 由于光纤激光的波长短，产生光致等离子体的辐射照度阀值比c 0 2 激光高 出约两个数量级 4 2 1 ，所以光纤激光焊接金属时较难产生光致等离子体，而易产 生金属蒸气羽。光谱分析证明，小孔上方是等离子体，孔内是金属蒸气。在较高 辐射照度焊接的条件下，光致等离子体以及金属蒸气羽生成的金属超微颗粒对激 山东大学硕十学何论文 光有散射作用【4 2 】，如图3 2 所示，从而对焊缝成形造成影响。 图3 2 小孔中金属