窄間隙坡口激光-MAG復(fù)合焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

董 琦，胡連海，任德亮，齊海波，劉春濤

（1.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043）

窄間隙坡口激光-MAG復(fù)合焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

董 琦1，2，胡連海1，2，任德亮1，2，齊海波1，2，劉春濤1，2

（1.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043）

采用激光電弧復(fù)合焊焊接窄間隙坡口鋼板，坡口會(huì)影響激光光致等離子體及電弧形態(tài)，從而改變能量密度分布。采用數(shù)值模擬手段，綜合考慮激光與電弧的相互作用以及窄間隙坡口對(duì)等離子體及電弧的壓縮作用，建立激光-MAG復(fù)合堆焊熱源模型和適用于窄間隙坡口的激光-MAG復(fù)合焊接熱源模型，并分別進(jìn)行堆焊和窄間隙坡口對(duì)接焊的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。結(jié)果表明，兩種熱源模型的模擬所得焊縫形狀與實(shí)際焊接焊縫熔合線相符性良好，熔寬、熔深相近，窄間隙坡口對(duì)溫度場(chǎng)分布有重要影響。

窄間隙坡口；激光-MAG復(fù)合焊；熱源模型；溫度場(chǎng)

0 前言

近年來(lái)，為提高厚板的焊接效率和降低厚板焊接的殘余應(yīng)力，激光電弧復(fù)合焊作為一種高效率、低熱輸入的焊接方法備受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光電弧復(fù)合焊的過(guò)程機(jī)理、焊縫成形過(guò)程、接頭組織性能等方面進(jìn)行了大量研究[1-4]。隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)激光電弧復(fù)合焊展開研究，并提出多種適用于激光特性的復(fù)合熱源模型[5-7]。

在厚板激光電弧復(fù)合多道焊接時(shí)，由于坡口角度較小，窄間隙坡口的壓縮作用會(huì)影響熱源能量密度的分布，因此，建立厚板復(fù)合熱源模型時(shí)必須考慮坡口的作用。在此采用數(shù)值模擬手段并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別建立了激光電弧復(fù)合堆焊熱源模型及適用于厚板窄間隙坡口的激光電弧復(fù)合焊熱源模型，并研究溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)。

1 熱源模型的選擇與建立

1.1 激光深熔焊熱源模型的選擇

與焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊等常規(guī)焊接方法相比，激光深熔焊具有加熱區(qū)域窄、熔深大、形成小孔效應(yīng)等特點(diǎn)，所建熱源模型要充分體現(xiàn)其特點(diǎn)。為此，選取旋轉(zhuǎn)高斯熱源模型用于表達(dá)激光深熔焊。該模型在厚度方向沿中心軸（z軸）最大熱流密度值恒定，在垂直于z軸各平面熱流密度按Gauss函數(shù)衰減，其熱源模型為

式中H為熱源高度；R為激光熱源有效半徑；P為激光有效功率。R（z）為熱源分布參數(shù)

其熱源能量分布如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)高斯熱源模型示意Fig.1 Rotary-Gauss body heat source mode

1.2 MAG焊熱源模型的選擇

MAG焊用于厚板焊接時(shí)一般采用大電流，此時(shí)能量在焊件厚度方向也有分布，故應(yīng)用體積分布熱源方式表達(dá)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在模擬中將電弧熱與熔滴熱焓合并考慮，并采用雙橢球體熱源模擬MAG焊接溫度場(chǎng)。雙橢球熱源分為前后兩個(gè)半球，兩者相互獨(dú)立，前半球熱流密度為

后半球熱流密度為

式中ff、fr分別為前后兩半球能量分配比例，且ff+fr=2；bf、br分別為前后兩半球長(zhǎng)度方向的半軸長(zhǎng)；a、c分別為雙橢球?qū)挾群秃穸确较虻陌胼S長(zhǎng)；Q為焊接功率，即焊接電流與電壓的乘積；α為MAG電弧與豎直方向的夾角。

1.3 激光電弧復(fù)合堆焊熱源模型的建立

激光電弧復(fù)合焊并不是兩種焊接工藝的簡(jiǎn)單疊加，激光與電弧存在復(fù)雜的相互作用，主要表現(xiàn)在：①電弧和激光光致等離子體耦合后，激光光致等離子體中的帶電粒子進(jìn)入電弧，導(dǎo)致激光光致等離子體的電子密度降低，從而減少激光光致等離子體對(duì)激光能量的吸收、反射和散射，提高對(duì)激光能量的利用，同時(shí)提高電弧的電離度和電弧溫度[8]。②電弧的預(yù)熱作用提高了工件對(duì)激光的吸收率，增大焊縫熔深。③激光與電弧相互作用的強(qiáng)弱與熱源間距有關(guān)，熱源間距越小，相互作用越強(qiáng)，反之相互作用越弱[9-10]。因此，復(fù)合熱源模型并不是兩個(gè)熱源模型的簡(jiǎn)單疊加，而是綜合考慮激光與電弧的相互作用后，調(diào)整兩種熱源形狀參數(shù)后再相加。復(fù)合熱源模型的建立首先要根據(jù)熱源間距的不同，調(diào)整激光與電弧的有效熱源半徑以及熱源模型中不同參量的值；而后分別計(jì)算熱源在作用區(qū)域內(nèi)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的熱流密度值；最后將每個(gè)節(jié)點(diǎn)上兩個(gè)熱流密度值疊加得到復(fù)合熱源模型。復(fù)合熱源模型為

前半部分

后半部分

式中P、R、H、Q、a、bf、br、c均為耦合后的參量。

1.4 窄間隙坡口激光電弧復(fù)合焊熱源模型的建立

在窄間隙坡口焊接中，由于坡口對(duì)激光光致等離子體及電弧的壓縮作用，導(dǎo)致等離子體及電弧在大小、形態(tài)上明顯不同，進(jìn)而引起熱源能量密度分布的變化。為此，本模擬引入坡口壓縮系數(shù)λcp（λcp< 1），用于修正窄間隙坡口下的熱源形狀參數(shù)。調(diào)整后的高斯旋轉(zhuǎn)體熱源形狀參數(shù)R（z）'的表達(dá)式為

故修正后旋轉(zhuǎn)高斯熱流密度表達(dá)式為

由式（8）可知，熱源加熱范圍減小，熱源中心能量密度增大，這與電弧受到壓縮后電弧半徑減小、能量密度增大一致。

同理，在雙橢球熱源表達(dá)式中，坡口對(duì)熱源形狀參數(shù)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)寬度方向的半軸長(zhǎng)a的影響，故修改后的a'為

修正后雙橢球熱流密度表達(dá)式為

前半球

后半球

適用于窄間隙激光電弧復(fù)合焊接的熱源模型為

前半部分

后半部分

2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

采用CO2激光+MAG復(fù)合焊接方式對(duì)X80管線鋼分別進(jìn)行平板堆焊及厚板窄間隙坡口焊。焊接工藝參數(shù)為：激光功率6 kW，離焦量-2 mm，光絲間距0mm，焊接速度1.2 m/min，MAG焊接電流250 A，電弧電壓37 V。焊接過(guò)程中激光中軸線與MAG焊電弧中軸線成30°夾角，材料為X80管線鋼，其熱物理性能參數(shù)[11]如表1所示。

表1 X80管線鋼熱物理性能參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of X80 pipeline steel

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)焊后焊縫尺寸建立幾何模型，由于焊件和傳熱是對(duì)稱的，為減小模擬中的計(jì)算量，故取實(shí)物的一半建模。堆焊模型尺寸250 mm×90 mm×12 mm，余高3 mm，窄間隙坡口焊模型尺寸125 mm×90 mm× 21 mm，鈍邊4 mm。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，焊縫及其附近區(qū)域選用SOLID70三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行細(xì)分，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)選用SOLID70三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行粗分，中間區(qū)域采用20節(jié)點(diǎn)的SOLID90三維實(shí)體單元進(jìn)行自由過(guò)渡。最終建立的有限元模型如圖2所示。

采用激光電弧復(fù)合堆焊熱源模型和窄間隙激光電弧復(fù)合焊熱源模型，通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)X80管線鋼分別進(jìn)行平板堆焊及窄間隙對(duì)接焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。初始溫度和環(huán)境溫度均為25℃，焊縫對(duì)稱面上施加溫度絕熱條件，其他表面施加對(duì)流邊界條件。采用生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄間隙坡口焊縫熔池及堆焊余高的填充。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 焊縫形貌的對(duì)比

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

焊縫形貌及尺寸可通過(guò)模擬計(jì)算得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)在垂直于焊接方向的平面上的分布得到。圖3a、3b分別為激光電弧復(fù)合堆焊和窄間隙坡口激光電弧復(fù)合焊焊縫橫截面與熱影響區(qū)模擬值與實(shí)際值的對(duì)比，由圖可知，模擬得到的熔合線、熱影響區(qū)的分布與實(shí)際焊接結(jié)果相符性良好。此時(shí)，堆焊熱源模型參數(shù)值為：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2 mm、br=6 mm、c=3 mm；窄間隙坡口焊熱源模型參數(shù)值分別為：R=1.25 mm、H=7 mm、a=12 mm、bf=2mm、br=6 mm、c=3 mm、λcp1=0.8、λcp2=0.6。

模擬所得熔寬、熔深值與實(shí)際值誤差較小，如表2所示，證明了激光電弧復(fù)合堆焊熱源模型及窄間隙激光電弧復(fù)合焊熱源模型的準(zhǔn)確性。

3.2 溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)

圖4a為激光電弧復(fù)合堆焊在焊件表面處準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的分布，圖4b為窄間隙坡口激光電弧復(fù)合焊在平行于焊縫上表面處準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的分布。對(duì)比圖4a、4b可知，激光電弧復(fù)合堆焊準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)等溫線呈長(zhǎng)方形，前部寬度與后部寬度相差不大，窄間隙坡口激光電弧復(fù)合焊溫度場(chǎng)等溫線呈雙橢圓分布，等溫線前部明顯比中間部分窄，等溫線的長(zhǎng)寬比隨著溫度的升高逐漸減小；激光電弧復(fù)合堆焊熔合線前部寬度明顯大于窄間隙坡口激光電弧復(fù)合焊熔寬，且溫度梯度小于窄間隙坡口焊。以上綜合表明，窄間隙坡口對(duì)電弧半徑在橫向上具有壓縮作用，從而造成等溫線在橫向上收縮變窄，而收縮后的電弧提高了加熱區(qū)域內(nèi)的熱流密度。

表2 模擬焊縫與實(shí)際焊縫尺寸值對(duì)比Table 2 Comparison of the size of the simulated weld and actual weld

圖3 模擬焊縫與實(shí)際焊縫的對(duì)比Fig.3 Profile comparison of the simulated weld and actual weld

圖4 焊接熔池準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)Fig.4 Weld pool quasi-steady temperature field

4 結(jié)論

（1）綜合考慮激光與電弧的相互作用和窄間隙坡口對(duì)電弧的壓縮作用，分別建立了激光-MAG復(fù)合堆焊熱源模型以及適用于窄間隙坡口的激光-MAG復(fù)合焊熱源模型。

（2）采用建立的兩種熱源模型分別進(jìn)行平板堆焊和窄間隙坡口焊接的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，并通過(guò)與實(shí)際焊接所得焊縫形貌的對(duì)比，分別驗(yàn)證了兩熱源模型的合理性。

（3）分析模擬所得堆焊與窄間隙坡口焊的焊縫溫度場(chǎng)等溫線分布，驗(yàn)證了窄間隙坡口對(duì)電弧具有壓縮作用，從而減小了加熱范圍，提高了加熱區(qū)域內(nèi)的熱流密度，進(jìn)而減小了熔寬。

[1]Bang H S，Bang H S，Kim Y C，et al.A study on mechanical and microstructure characteristics of the STS304L butt joints using hybrid CO2laser-gas metal arc welding [J].Materials&Design，2011，32（4）：2328-2333.

[2]Le Guen E，F(xiàn)abbro R，Carin M，et al.Analysis of hybrid Nd：Yag laser-MAG arc welding processes[J].Optics& Laser Technology，2011，43（7）：1155-1166.

[3]吳世凱.激光電弧相互作用及激光-TIG復(fù)合焊接新工藝研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]胡連海，黃堅(jiān)，莊凱，等.激光與電弧間距對(duì)激光復(fù)合焊熔滴過(guò)渡的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2010（2）：49-52.

[5]姜幼卿，辜磊，劉建華.厚板鋁合金YAG-MIG復(fù)合焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（6）：104-107.

[6]吳甦，趙海燕，王煜，等.高能束焊接數(shù)值模擬中的新型熱源模型[J].焊接學(xué)報(bào)，2004，25（1）：91-94.

[7]胥國(guó)祥，武傳松，秦國(guó)梁，等.激光+GMAW復(fù)合熱源焊焊縫成形的數(shù)值模擬—I.表征激光作用的體積熱源分布模式[J].金屬學(xué)報(bào)，2008，44（4）：478-482.

[8]胡連海.10Ni3CrMoV鋼厚板激光焊接穩(wěn)定性與接頭組織及性能研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[9]Emilie Le Guen，Muriel Carin，Rémy Fabbro，et al.3D heat transfer model of hybrid laser Nd：Yag-MAG welding of S355 steel and experimental validation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2011（54）：1313-1322.

[10]高明，曾曉雁，嚴(yán)軍.激光-電弧復(fù)合焊接的熱源相互作用[J].激光技術(shù)，2007，3（5）：465-468.

[11]王飛.X80直縫管多絲埋弧焊溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[D].河北：燕山大學(xué).2011.

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.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2015-07-19；

：2015-12-27

河北省自然科學(xué)基金（E2013210030）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項(xiàng)目（Z2012010）；河北省高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助

董 琦（1988—），男，河北邢臺(tái)人，在讀碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬及激光焊接工藝的研究。