基于计算机的厚壁钢管激光-电弧复合焊接熔池稳态和动态模拟分析

李东辉，孙君菊

（信阳职业技术学院，河南信阳464000）

基于计算机的厚壁钢管激光-电弧复合焊接熔池稳态和动态模拟分析

李东辉，孙君菊

（信阳职业技术学院，河南信阳464000）

主要研究管材和船用型材在激光-电弧复合焊接过程中熔池的稳态和动态情况。利用准稳态过程模型确定了一套合适的焊接参数，利用激光焊动态模型研究了匙孔深度和振动振幅。使用15 kW的光纤激光器，在一个较宽的焊接参数范围内对钢管和不锈钢进行激光-MAG复合焊。通过对熔池深度及其各自振动频率的实验结果和模拟结果的对比，分析了熔池的自振动特性。

复合焊接；熔池；计算机模拟

0 前言

30年前，一些学者提出了同时用激光束和电子束对金属进行焊接的想法[1]。近年来，随着高能量CO2激光技术发展，可以产生波长10.6 μm的放射线，才使这一设想成为可能。在激光束作用区域，此波长的激光束和金属之间进行相互反应，从根源上影响聚焦光束，同时影响部分目标区域的吸收能和相互影响区域内的等离子能。波长1.06 μm的高能激光射线与目标区域的相互作用从本质上说与上述射线不同。这种波长的高能激光束具有较差的辐射质量和低的可靠性。随着连续辐射能可达30 kW的镱光纤激光技术得到发展，其激光束质量高，可靠性高，使这种波长的高能激光得到了广泛应用。

复合激光电弧焊，在厚重零件的焊接方面是一种最有前景的技术，其在造船、天然气、石油管道、桥梁和建筑等行业中具有广阔的应用前景。复合焊的主要优势是可以焊接厚度达15 mm或以上的材料，包括高强度钢和新型合金。尽管复合焊的焊缝质量与激光焊焊缝的质量相当。但在实际生产中这种技术的应用受限于一系列过程参数的相互作用[2]，如焊缝处的孔隙率、裂纹、失效和阻碍，特别是对于焊接合金钢材料。

通过对激光电弧焊接全过程研究结果分析，可以发现一系列问题，如焊缝上部横截面的急剧增宽、晶粒向不利的方向生长、焊缝深处硬化结构的存在、气泡的存在、轴向方向冲击功低，特别是在低温测试过程中。影响焊接过程的因素较多，这些因素的设置对焊接过程的稳定性、焊接接头的质量都有重要影响。本研究使用模型仿真技术，寻找改善激光-电弧复合焊接的方法，并进行测试。

1 模型建立与过程模拟分析

为了对激光-电弧复合焊的焊缝形成和演变进行模拟，建立了两个模型。一个模型模拟稳态过程，另一个模拟熔池的动态演变过程。如文献[3]所述，稳态模型是根据熔深较深的激光焊接模型建立的，该模型解决了一些相互作用的参数问题，如激光所产生的激光束之间的相互作用；考虑等离子体的气体动力学和保护气体喷射的电弧等离子体；在工件表面激光-电弧复合放电促使熔化的金属蒸汽和保护气体混合；电弧电流；填充焊丝加热、熔化；激光束在匙孔内发生吸收和不断的反射；在熔化金属和固体金属表面进行持续的热-质量传递；匙孔内部气化和蒸汽流动动力。所有的局部模型主要分析相互关联的物理过程。本研究着重分析激光束在匙孔内的吸收和反射问题，通过此模拟解决了固体表面的传递效应和匙孔内部产生气化问题。对电弧和等离子模型中的质量、动量、电流和能量方程使用边界条件近似法[4]。模拟过程中考虑了影响匙孔产生的多种因素，包括激光束和电弧电流产生的压缩和体积热、金属蒸汽混合物、电弧气体和保护气体，以及温度影响，同时考虑了电弧对工件表面的影响和保护气气流的影响。在放电模型中，通过Raizer动态方程的结果确定了电离速率、电导率的空间分布、热扩散率，在动态方程中考虑了等离子体和等离子体周围的电子传递因素。填充焊丝的熔化问题通过用Stephan边界条件处理固-液界面和考虑电子力对下沉传递的影响来解决[5]。模拟中用理想液体的粘性边界条件考虑上液面和匙孔液相的熔体流动和热传递。采用不同的3D模型考虑激光焊接过程中不同试块间的间隙问题。

程序模型的总方案如图1所示。不同模块之间通过直接的边界条件相联系。一个模块的解决作为下一个模块的边界条件，即作为下一个方程的一个系数。在复杂问题的数学求解中使用了数值分析运算，这一数值分析运算同样适用于激光CAD系统之中，此系统模拟了熔池的形状和尺寸，焊接熔化道中的热分布，以及复合激光-电弧焊中的热影响区分布。

图1 稳态过程模型结构

熔池动态行为模型是在激光焊接动态模型的基础上建立的。这一模型是根据拉格朗日Laegrange力学体系建立的，同时考虑了以下现象，如孔洞表面的波浪运动，不同时间下焊道的形状和尺寸，孔洞运动过程中深度、半径变化的影响。动态方程中同时考虑了摩擦力的影响。本研究将考虑模型的几何形态，并且通过Laegrange体系推导运动方程可能的简化模型。简化过程如H＞＞a，“H”指熔池深度，“a”指匙孔半径，同时假定不存在倾斜的孔洞和熔道壁。根据Laplace方程的结果，将熔化物的流动假定为潜流运动形态。

S（z）为在静态的坐标系内蒸汽孔横截面的面积，其可以表达匙孔消减的速率，如

式中S为横截面面积。

熔化物的流动由沿着匙孔消减方向“z”vz的流动和在横截面水平方向v⊥的流动组成。熔池的动能由三部分组成，即E=E⊥+Ez+Eb，计算式为

式中A和a为将两者一同映射到一个同心面上时，熔化物前沿和匙孔的横截面的图像半径。由于活动区的势能是一种表面能，它能计算自由表面面积，表面面积乘以表面张力系数，而比表面能等于表面张力系数σ

式中H1为熔化物表面相对于工件表面的高度。

通过如下公式利用广义坐标系（s0，sn，H）描述广义力值Qi

δAi是在虚拟位移δqi上的虚拟工作，QH的表示为

式中P为孔洞中的蒸汽压；P0为外部压力。

考虑喷气嘴的反作用力可以得到

式中ρ0和V0分别为工作表面处的密度和喷嘴反作用速率。经过几次转变后Qs可表示为

Eb代表动态熔池底部的能量。

式中λi是方程J1（λi）=0的一个根。

为了确定P（s0）和分析了非平衡热传导问题。

根据Lagrange力学体系引入了广义粘滞力物理量。耗散函数可以根据以下公式推导

广义摩擦力可以根据如下公式计算

可以根据如下的方程耗散函数解决在液相最前沿边界层的熔化物流动的问题。

式中L为液相前沿的长度（L=2πA）。推导了研究目标的动力、潜能和广义作用力，广义作用力可以根据Lagrange方程得到。

式中qi定义为H，S0，…，S1，…Sn连续的。

为了完成计算，假定体系以第2层开始，同时体系以四个简单的二阶微分方程进行，并通过六重Runge-Kutt运算法则得到数值解。本研究做了焊接速率从0.3～10 cm/s，焊接功率从1～20 kW的低碳钢激光焊接验证计算。这个算法也在激光CAD中得到验证。如图2所示，改进的数学方程可以用来动态分析不同焊接时刻匙孔的形貌。

材料为10#钢，激光辐射功率4.5 kW，焊接速率12 mm/s，光束聚焦半径0.2 mm，焦距30 cm，电弧功率2.5 kW。图2 匙孔形成模拟

焊接初期，焊接工件表层尚未达到金属蒸发所需的温度，因此由金属蒸汽所引起的反作用力比较小，熔池向下凹陷并不明显。随着模拟焊接时间增加，焊接件被迅速升温，熔池内金属蒸发作用愈强烈，由金属蒸汽所引起的反作用力也显著增强，熔池明显向下凹陷。金属蒸汽的反作用力是熔池向下凹陷的主要驱动力，而熔池避免存在的表面张力则是匙孔形成的主要阻力，两者相互作用控制着匙孔的形成。当焊接作用时间低于36 ms时，驱动力大于阻力，匙孔不断长大；36 ms以后驱动力和阻力趋于平衡，匙孔形貌也趋于稳定状态。

动态模型还可以用来对气孔表面和钉扎现象进行动态分析，用以减少熔池中不稳定的动态行为发生，如图3所示。焊缝中真实缺陷如图4所示。

对于厚板焊接，在没有熔透的情况下在焊缝内部容易形成各种缺陷，如气孔、钉尖等，由此造成焊缝熔深深度不同，引起接头机械性能分布不均，力学性能变差。气孔、钉尖主要形成于焊缝中部和焊缝两侧。由于金属蒸汽反作用力突变或是匙孔壁表面张力突变，引起匙孔壁出现突起，突起形成后会有两种不同的发展方向。一是突起不断长大，完全阻断激光束的入射，在焊缝中部形成较大的气孔缺陷，如图3a所示。二是突起吸收能量后破裂，使匙孔壁面重新趋于平滑，如果突起吸收能量过多，破裂时反作用力较大，会在熔池引起局部小的凹陷，形成较小的气孔缺陷，如图3b所示。

通过稳态工艺模型，使用激光CAD模拟了固、液、气相中相邻介质的热传输，辐射传输和激光-电弧放电动力学。同时也计算了熔化和热影响区域的面积，绘制了热循环和连续冷却转变图，结合金属材质可以计算相结构。稳态工艺模型可以估算所需要的热源参数，还可以预测焊接后金属结合处的相结构，从而减少实验的数量。图5为AISI钢复合焊接的模拟图。

试验结果表明，相图中沿着相轨迹的有限区域浓度较高，也就说明孔洞振荡的湍流现象。同时表明计算结果不取决于初始条件，热影响区的大小和形状取决于焊接参数。

模型表明，激光焊接过程中，复合焊接不同于广义坐标，它有不同的振动频率。最低的频率（低于100 Hz）为典型的空穴半径和深度振幅。增加熔深深度和填充速率导致光谱向低频率转移。第一（s1）和第二（s2）顺序波有最高频率（最高10 kHz），这些光谱也决定于振幅深度，送丝速率增加也同样降低了低频振幅。

图3 气孔缺陷形成过程

图4 焊缝中的气孔缺陷

3 激光-电弧复合焊安装设计

通过模型模拟对厚重钢零件在激光-MAG复合焊接时设备技术方面存在的问题进行了改进。对于厚度超过12mm的钢板，要求使用电弧单道3m/min的焊接速度焊接。使用激光CAD模拟设定参数：激光电源功率高于15kW；聚焦光束直径为0.3～0.4mm；焊接电流不小于250 A，焊丝直径1～2 mm。

改进设备包括：IPG制造的LS-15光纤激光器和PC250 Riedel冷却系统，电流可达到1 500 A的VDU-1500电弧电源和数控送丝设备，激光-电弧模块（工作工具），6通道气体数控模块，焊缝检测系统和跟踪基本的扫描激光传感系统，过程监控系统和控制系统。

激光-电弧复合焊系统包括控制器、激光焊接接头、电弧焊枪、焊缝追踪传感器系统和过程监控传感器系统。焊接过程中提供保护气体。图6为改进的焊接系统。焊接过程控制由控制器通过驱动系统来完成。如激光束焦点的位置相对于焊接表面保持不变（“垂直移动”），激光束焦点的位置相对于焊缝保持不变（“相交移动”）。激光束焦点相对于焊接表面在垂直方向的偏移可以保证在±0.2 mm以内，激光束焦点相对于焊缝在横截面方向的偏移可以保证在±0.5 mm以内。

图5 AISI1330钢的激光和复合焊接数学模拟结果（10 kW+4 kW）

图6 激光-MAG复合焊接装置

5 结果和讨论

通过稳态和动态模型对激光-电弧复合焊的焊缝形成和演变进行模拟，结果表明，在匙孔形成过程中，由于金属蒸汽反作用力突变或是匙孔壁表面张力突变会在壁面局部产生突起，在焊缝中产生气孔或钉尖缺陷，这与实际焊接结果相吻合。通过模型模拟优化了相对于激光束的电弧焊枪位置，通过使用复合纳米的特殊填充焊丝，优化了电弧气氛的组成，改进了焊接工艺，避免了如气孔、热裂纹等缺陷的产生，使X80钢管焊缝在温度为-40℃时冲击性能达到140～200 J。

[1]王明林，吴艳明，张成杰，等.10CrNi3MoV钢激光-MAG复合热源焊接技术研究[J].材料开发与应用，2013（01）：1-5.

[2]陶传琦，吴向阳，王秋影，等.SMA490BW耐候钢激光-MAG复合焊与MAG焊对比研究[J].电焊机，2014，44（12）:35-39.

[3]吴冰，巩水利，庞盛永，等.激光深熔焊运动熔池瞬态形成过程数值模拟[J].焊接学报，2010（10）：25-28.

[4]汪任凭，雷永平，史耀武.激光深熔焊中匙孔形成过程的动态模拟[J].焊接学报，2010（11）：46-50.

[5]汪任凭，雷永平，,史耀武.激光深熔焊接过程传输现象的数值模拟[J].稀有金属材料与工程，2011（S2）：76-79.

Simulation analysis of steady and dynamic states of laser-arc hybrid welding molten pool for thick wall steel tube based on computer

LI Donghui，SUN Junju
（Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

In the process of hybrid laser-arc welding of pipes and shipbuilding sections，the simulation of steady and dynamic states of molten pool behavior are observed.The appropriate welding mode is determined by a quasi-stationary process-model.The keyhole depth and width oscillations are researched by the dynamical model of laser welding.The pipe steel and stainless steel are welded in wide range of welding parameters of hybrid laser-MAG welding with 15 kW fiber laser.The experimental result and simulated result of penetration depth and vibrational frequency are compared to analyze the self-vibration performance of molten pool.

hybrid welding；molten pool；computer simulation

TG456.9

A

1001-2303（2015）08-0054-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.12

2015-04-08；

2015-05-06

李东辉（1966—），男，河南安阳人，讲师，硕士，主要从事计算机应用技术方面的工作。