窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

董 琦，胡连海，任德亮，齐海波，刘春涛

（1.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北省交通工程材料重点实验室，河北 石家庄 050043）

窄间隙坡口激光-MAG复合焊温度场数值模拟

董 琦1，2，胡连海1，2，任德亮1，2，齐海波1，2，刘春涛1，2

（1.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北省交通工程材料重点实验室，河北 石家庄 050043）

采用激光电弧复合焊焊接窄间隙坡口钢板，坡口会影响激光光致等离子体及电弧形态，从而改变能量密度分布。采用数值模拟手段，综合考虑激光与电弧的相互作用以及窄间隙坡口对等离子体及电弧的压缩作用，建立激光-MAG复合堆焊热源模型和适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊接热源模型，并分别进行堆焊和窄间隙坡口对接焊的温度场数值模拟。结果表明，两种热源模型的模拟所得焊缝形状与实际焊接焊缝熔合线相符性良好，熔宽、熔深相近，窄间隙坡口对温度场分布有重要影响。

窄间隙坡口；激光-MAG复合焊；热源模型；温度场

0 前言

近年来，为提高厚板的焊接效率和降低厚板焊接的残余应力，激光电弧复合焊作为一种高效率、低热输入的焊接方法备受关注。国内外学者对激光电弧复合焊的过程机理、焊缝成形过程、接头组织性能等方面进行了大量研究[1-4]。随着有限元技术的快速发展，通过数值模拟方法对激光电弧复合焊展开研究，并提出多种适用于激光特性的复合热源模型[5-7]。

在厚板激光电弧复合多道焊接时，由于坡口角度较小，窄间隙坡口的压缩作用会影响热源能量密度的分布，因此，建立厚板复合热源模型时必须考虑坡口的作用。在此采用数值模拟手段并结合实验验证，分别建立了激光电弧复合堆焊热源模型及适用于厚板窄间隙坡口的激光电弧复合焊热源模型，并研究温度场的分布特点。

1 热源模型的选择与建立

1.1 激光深熔焊热源模型的选择

与焊条电弧焊、气体保护焊等常规焊接方法相比，激光深熔焊具有加热区域窄、熔深大、形成小孔效应等特点，所建热源模型要充分体现其特点。为此，选取旋转高斯热源模型用于表达激光深熔焊。该模型在厚度方向沿中心轴（z轴）最大热流密度值恒定，在垂直于z轴各平面热流密度按Gauss函数衰减，其热源模型为

式中H为热源高度；R为激光热源有效半径；P为激光有效功率。R（z）为热源分布参数

其热源能量分布如图1所示。

图1 旋转高斯热源模型示意Fig.1 Rotary-Gauss body heat source mode

1.2 MAG焊热源模型的选择

MAG焊用于厚板焊接时一般采用大电流，此时能量在焊件厚度方向也有分布，故应用体积分布热源方式表达。为简化计算，在模拟中将电弧热与熔滴热焓合并考虑，并采用双椭球体热源模拟MAG焊接温度场。双椭球热源分为前后两个半球，两者相互独立，前半球热流密度为

后半球热流密度为

式中ff、fr分别为前后两半球能量分配比例，且ff+fr=2；bf、br分别为前后两半球长度方向的半轴长；a、c分别为双椭球宽度和厚度方向的半轴长；Q为焊接功率，即焊接电流与电压的乘积；α为MAG电弧与竖直方向的夹角。

1.3 激光电弧复合堆焊热源模型的建立

激光电弧复合焊并不是两种焊接工艺的简单叠加，激光与电弧存在复杂的相互作用，主要表现在：①电弧和激光光致等离子体耦合后，激光光致等离子体中的带电粒子进入电弧，导致激光光致等离子体的电子密度降低，从而减少激光光致等离子体对激光能量的吸收、反射和散射，提高对激光能量的利用，同时提高电弧的电离度和电弧温度[8]。②电弧的预热作用提高了工件对激光的吸收率，增大焊缝熔深。③激光与电弧相互作用的强弱与热源间距有关，热源间距越小，相互作用越强，反之相互作用越弱[9-10]。因此，复合热源模型并不是两个热源模型的简单叠加，而是综合考虑激光与电弧的相互作用后，调整两种热源形状参数后再相加。复合热源模型的建立首先要根据热源间距的不同，调整激光与电弧的有效热源半径以及热源模型中不同参量的值；而后分别计算热源在作用区域内每一个节点上的热流密度值；最后将每个节点上两个热流密度值叠加得到复合热源模型。复合热源模型为

前半部分

后半部分

式中P、R、H、Q、a、bf、br、c均为耦合后的参量。

1.4 窄间隙坡口激光电弧复合焊热源模型的建立

在窄间隙坡口焊接中，由于坡口对激光光致等离子体及电弧的压缩作用，导致等离子体及电弧在大小、形态上明显不同，进而引起热源能量密度分布的变化。为此，本模拟引入坡口压缩系数λcp（λcp< 1），用于修正窄间隙坡口下的热源形状参数。调整后的高斯旋转体热源形状参数R（z）'的表达式为

故修正后旋转高斯热流密度表达式为

由式（8）可知，热源加热范围减小，热源中心能量密度增大，这与电弧受到压缩后电弧半径减小、能量密度增大一致。

同理，在双椭球热源表达式中，坡口对热源形状参数的影响主要表现在对宽度方向的半轴长a的影响，故修改后的a'为

修正后双椭球热流密度表达式为

前半球

后半球

适用于窄间隙激光电弧复合焊接的热源模型为

前半部分

后半部分

2 数值模拟和实验结果

2.1 实验条件

采用CO2激光+MAG复合焊接方式对X80管线钢分别进行平板堆焊及厚板窄间隙坡口焊。焊接工艺参数为：激光功率6 kW，离焦量-2 mm，光丝间距0mm，焊接速度1.2 m/min，MAG焊接电流250 A，电弧电压37 V。焊接过程中激光中轴线与MAG焊电弧中轴线成30°夹角，材料为X80管线钢，其热物理性能参数[11]如表1所示。

表1 X80管线钢热物理性能参数Table 1 Thermal physical parameters of X80 pipeline steel

2.2 数值模拟

根据焊后焊缝尺寸建立几何模型，由于焊件和传热是对称的，为减小模拟中的计算量，故取实物的一半建模。堆焊模型尺寸250 mm×90 mm×12 mm，余高3 mm，窄间隙坡口焊模型尺寸125 mm×90 mm× 21 mm，钝边4 mm。综合考虑计算精度和计算效率，焊缝及其附近区域选用SOLID70三维实体8节点单元进行细分，远离焊缝区选用SOLID70三维实体8节点单元进行粗分，中间区域采用20节点的SOLID90三维实体单元进行自由过渡。最终建立的有限元模型如图2所示。

采用激光电弧复合堆焊热源模型和窄间隙激光电弧复合焊热源模型，通过ANSYS有限元软件对X80管线钢分别进行平板堆焊及窄间隙对接焊温度场数值模拟。初始温度和环境温度均为25℃，焊缝对称面上施加温度绝热条件，其他表面施加对流边界条件。采用生死单元技术实现窄间隙坡口焊缝熔池及堆焊余高的填充。

3 数值模拟结果分析

3.1 焊缝形貌的对比

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

焊缝形貌及尺寸可通过模拟计算得到的瞬态温度场在垂直于焊接方向的平面上的分布得到。图3a、3b分别为激光电弧复合堆焊和窄间隙坡口激光电弧复合焊焊缝横截面与热影响区模拟值与实际值的对比，由图可知，模拟得到的熔合线、热影响区的分布与实际焊接结果相符性良好。此时，堆焊热源模型参数值为：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2 mm、br=6 mm、c=3 mm；窄间隙坡口焊热源模型参数值分别为：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2mm、br=6 mm、c=3 mm、λcp1=0.8、λcp2=0.6。

模拟所得熔宽、熔深值与实际值误差较小，如表2所示，证明了激光电弧复合堆焊热源模型及窄间隙激光电弧复合焊热源模型的准确性。

3.2 温度场的分布特点

图4a为激光电弧复合堆焊在焊件表面处准稳态温度场的分布，图4b为窄间隙坡口激光电弧复合焊在平行于焊缝上表面处准稳态温度场的分布。对比图4a、4b可知，激光电弧复合堆焊准稳态温度场等温线呈长方形，前部宽度与后部宽度相差不大，窄间隙坡口激光电弧复合焊温度场等温线呈双椭圆分布，等温线前部明显比中间部分窄，等温线的长宽比随着温度的升高逐渐减小；激光电弧复合堆焊熔合线前部宽度明显大于窄间隙坡口激光电弧复合焊熔宽，且温度梯度小于窄间隙坡口焊。以上综合表明，窄间隙坡口对电弧半径在横向上具有压缩作用，从而造成等温线在横向上收缩变窄，而收缩后的电弧提高了加热区域内的热流密度。

表2 模拟焊缝与实际焊缝尺寸值对比Table 2 Comparison of the size of the simulated weld and actual weld

图3 模拟焊缝与实际焊缝的对比Fig.3 Profile comparison of the simulated weld and actual weld

图4 焊接熔池准稳态温度场Fig.4 Weld pool quasi-steady temperature field

4 结论

（1）综合考虑激光与电弧的相互作用和窄间隙坡口对电弧的压缩作用，分别建立了激光-MAG复合堆焊热源模型以及适用于窄间隙坡口的激光-MAG复合焊热源模型。

（2）采用建立的两种热源模型分别进行平板堆焊和窄间隙坡口焊接的温度场数值模拟，并通过与实际焊接所得焊缝形貌的对比，分别验证了两热源模型的合理性。

（3）分析模拟所得堆焊与窄间隙坡口焊的焊缝温度场等温线分布，验证了窄间隙坡口对电弧具有压缩作用，从而减小了加热范围，提高了加热区域内的热流密度，进而减小了熔宽。

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Numerical simulation of laser-MAG hybrid welding temperature field with narrow gap groove

DONG Qi1，2，HU Lianhai1，2，REN Deliang1，2，QI Haibo1，2，LIU Chuntao1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Hebei Provincial Key Laboratory of Traffic Engineering Materials，Shijiazhuang 050043，China）

When steel plates with narrow gap groove are welded using laser-MAG hybrid welding，groove will affect the shape of laser-induced plasma and arc，resulting in change of the distribution of energy density.Therefore，based on the interaction between the laser-induced plasma and arc，and the compression of narrow gap groove the plasma and arc，the laser MAG hybrid surfacing welding heat source model and the laser MAG hybrid welding heat source model which is suitable for narrow gap groove are established respectively.The numerical simulated results of two welding temperature fields show that the simulated weld shapes match the actual weld well，and the width and depth of the simulated weld are close to the test value.The narrow gap groove has an important effect on temperature field distribution.

narrow gap groove；laser-MAG hybrid welding；heat source model；temperature field

TG456.7

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

献

郭吉昌，朱志明，闫国瑞，等.基于UG的弧焊机器人离线编程系统开发[J].电焊机，2017，47（01）：1-6.

2015-07-19；

：2015-12-27

河北省自然科学基金（E2013210030）；河北省高等学校科学技术研究指导项目（Z2012010）；河北省高校重点学科建设项目资助

董 琦（1988—），男，河北邢台人，在读硕士，主要从事焊接数值模拟及激光焊接工艺的研究。