功率密度對DP590 鋼激光焊縫熔深及組織的影響

孫旭，張林杰，Na Suck-Joo

（西安交通大學，西安 710049）

激光焊接具有光電轉換效率高、生產效率高、精度高等優點，在現代工業中得到了廣泛的應用[1]，因此激光焊接工藝也受到了越來越多學者的關注。關于激光焊接工藝參數對焊接形貌及組織的影響，各國學者紛紛發表了相關研究成果。

Miranda 等[2]研究了激光功率、焊接速度對X100高強鋼焊縫熔深的影響。Squillace 等[3]研究了焊接速度和激光功率對Ti-6Al-4V 焊接質量的影響。Sathiya等[4]研究了激光功率、焊接速度、焦點位置對超級奧氏體不銹鋼焊縫熔深、熔寬以及抗拉強度的影響。Vanska 等[5]研究了焊接速度、焦點位置對焊縫熔深熔寬的影響。Zhang 等[6]研究了焦點位置、保護氣、焊接速度對焊縫接頭幾何形狀、組織及力學性能的影響。Kim 等[7]研究了激光強度、激光與材料作用時間以及多反射對焊縫熔深的影響。Jelokhani-Niaraki 等[8]研究了激光功率、光斑尺寸、焊接速度對Inconel 625的抗拉強度、組織以及表面形貌的影響。Vakili-Farahani 等[9]利用激光擺動裝置研究了激光功率、焦點位置、擺動頻率等工藝參數對Ti6Al4V 的熔深、熔寬、熱影響區、熔化區的影響。

盡管工藝參數對激光焊接頭熔深及組織的影響已有較多研究，但針對在熱輸入相同的條件下，激光功率密度對焊縫熔深及組織的影響關注較少。文中通過實驗以及模擬的方法，研究了激光功率密度對DP590 鋼焊縫熔深、微觀組織的影響規律。

1 實驗

1.1 方法

實驗材料為1.8 mm 厚的DP590 鋼板，化學成分見表1。

表1 DP590 鋼的化學成分Tab.1 Chemical compositions of DP590 steel

采用美國IPG 公司生產的YLS-4000 型激光器對鋼板進行焊接。在保持離焦量為0 mm、保護氣體為Ar 氣、光斑直徑為0.2 mm 不變的情況下，改變激光功率與焊接速度，功率與焊接速度之比為定值22 500 J/m，焊接工藝參數見表2。實驗裝置如圖1 所示。采用體積分數為5%的硝酸酒精溶液對焊縫橫截面進行腐蝕。利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊接接頭顯微組織。

表2 激光焊接工藝參數Tab.2 Process parameters of laser welding

1.2 模擬方法

1.2.1 假設條件及控制方程

圖1 激光焊接過程Fig.1 The schematic diagram of laser welding

為分析激光功率密度對DP590 鋼激光焊熔深及組織的影響，應作出以下假設：①液相為不可壓縮的牛頓流體；② 將熔池中的氣泡視為絕熱氣泡；③激光束的能量密度分布為高斯分布，用 Clausius-Clapeyron 方程確定金屬蒸汽的反沖壓力；④ 將激光焊接過程中產生的金屬蒸汽作為理想氣體，并假設其為焊接過程中的額外熱源，溫度為6000 K。同時，CFD 模擬過程中要結合VOF 方程、能量守恒方程、動量守恒方程、質量守恒方程。關于這些方程更詳細的描述可以參考文獻[10—12]。

1.2.2 激光焊接3D 模型

計算域設置為33 mm×28 mm×106 mm，如圖2a所示。流體區域尺寸設置為29 mm×24 mm×1.8 mm，焊縫區域設置為4.05mm，網格尺寸隨著與焊縫區域距離的增大而逐漸增大，如圖2b 所示。網格最小尺寸為0.075 mm。模擬中DP590 鋼的固體密度為7780 kg/m3，液體密度為6950 kg/m3，粘度為4.78×10?3kg/ms，表面張力為1.7 N/m，表面張力梯度為?0.43×10?3N/(m·K)，固體的比熱為640 J/(kg·K)，液體的比熱為830 J/(kg·K)，熔化潛熱為2.32×105J/kg，汽化潛熱為6.52×105J/kg，液化溫度為1818 K，固化溫度為1750 K，沸點為2900 K。

圖2 計算域簡圖Fig.2 The view of the calculation domain

2 結果與討論

2.1 熔深

接頭熔深如圖3 所示。在熱輸入不變的條件下，焊接速度從0.050 m/s 增加到0.055 m/s 時，焊縫熔深沒有明顯變化，從0.055 m/s 到0.060 m/s 時熔深增加0.17 mm，從0.060 m/s 到0.065 m/s 過程中熔深增加了0.01 mm，從0.065 m/s 到0.070 m/s 時，熔深增加了0.03 mm，從0.070 m/s 到0.075 m/s 時，熔深增加了0.07 mm。采用了Flow-3D 軟件，模擬了該實驗過程，統計實驗與模擬過程中的熔深變化，如圖4 所示。對比焊接速度為0.055 m/s 與0.060 m/s 時的模擬與實驗結果，發現模擬的熔深變化沒有實驗顯著。這種現象可能與由實驗過程中匙孔的劇烈波動有關，但剩余模擬與實驗結果相比，變化趨勢相似。

圖3 焊縫橫截面Fig.3 Cross sections of welding joint

圖4 熔深隨著激光功率密度的變化Fig.4 Variation of penetration depth with the increment of power density

在激光焊接過程中，當激光輻照到材料表面時，工件表面將發生溫度升高、熔化、氣化、形成匙孔[13]。匙孔深度增加時，焊縫熔深也會隨之增加，因此，焊縫熔深呈現階段性增長的現象與匙孔行為有關。

2.2 匙孔行為

當材料表面受到激光輻照，產生強烈的氣化，在較大的蒸汽反作用力下，熔化的金屬內部形成小孔，通常稱之為匙孔。圖5 展示了焊接速度為0.050 m/s與0.075 m/s 時匙孔的形成過程。在焊接速度為0.050 m/s 條件下，從t0到t0+4 ms 匙孔深度顯著增加，t0+4 ms 到t0+8 ms 匙孔深度增加較少，如圖5a 所示。在焊接速度為0.075 m/s 條件下，匙孔的深度變化趨勢與焊接速度為0.050 m/s 時相同，如圖5b 所示。然而，圖5b 相較于5a，從t0到t0+4 ms 匙孔深度變化幅度更大。

圖5 匙孔形成對比Fig.5 Comparison of keyhole formation

激光焊接過程中，激光束在匙孔內會經歷多次反射及被孔壁吸收能量的過程。依據該過程，通過光線追蹤的方法及Fresnel 吸收公式計算匙孔能量的吸收[14]。圖6 展示了隨著激光功率密度的增加，匙孔吸收能量的變化。從0.050 m/s 至0.055 m/s 能量吸收降低了45 J/m，0.055 m/s 到0.060 m/s 能量吸收增加1795 J/m，0.060 m/s 到0.065 m/s 能量吸收降低了96 J/m，0.065 m/s 到0.070 m/s 能量吸收增加275 J/m，0.070 m/s 到0.075 m/s 能量吸收降低96 J/m。

圖6 激光功率密度對增加匙孔吸收能量影響Fig.6 Influence of power density of energy absorbed in keyhole

當激光輻照到材料表面時，材料氣化對匙孔壁形成反沖壓力[15]。匙孔吸收能量增大將會造成更高的材料氣化率，使得匙孔壁受到的反沖壓力增加。在匙孔未坍塌的狀態下，匙孔底部受到的反沖壓力也將增大。焊接速度為0.075 m/s 時相比于0.050 m/s 時，由于焊縫吸收能量的顯著增加，匙孔深度增加明顯，如圖5 所示。焊接速度從0.050 m/s 到0.075 m/s 過程中，焊縫能量呈現階段性變化，因此焊縫熔深呈階段性變化。

2.3 顯微組織

圖7a 為焊縫橫截面形貌。對于DP590，激光焊接能夠形成較好的形貌。圖7b 為母材的組織，可以很明顯地看出DP590 母材主要是由鐵素體與馬氏體構成。馬氏體呈島狀分布在鐵素體基體上。熱輸入不變，隨著激光功率密度的增大，焊縫區組織變化如圖7c—h。取樣位置位于焊縫熔深的1/2 處，如圖7a 所示。由于在激光焊接的過程中，焊縫區受到快速的加熱以及冷卻，這造成的焊縫區組織相較于母材發生明顯的變化。通過對比圖7c 與圖7h，很明顯地發現焊接速度為0.050 m/s 時，馬氏體組織更加細小。

焊縫吸收能量的不同導致焊縫冷卻速率不同。為此統計了焊接速度為0.055,0.065,0.075 m/s 時焊縫的熱循環曲線如圖8 所示。在0.086 s 至0.1 s 內，焊接速度為0.055,0.065,0.075 m/s 時的冷卻速率分別是3071,2571,2071 K/s。當焊縫區冷卻速率增大時會抑制馬氏體的繼續長大，因此可以得出，在熱輸入相同的情況下，焊縫吸收能量越多，焊縫的冷卻速率將會降低。當焊接速度為0.050 m/s 時相比于0.075 m/s焊縫的冷卻速率較大，因此速度為0.050 m/s 時焊縫區馬氏體組織較為細小。

圖7 焊縫形貌隨著功率密度的變化Fig.7 Variation of microstructure with power density

3 結論

研究了熱輸入不變的條件下，激光功率密度對DP590 鋼的熔深及組織的影響規律。主要研究結論有以下幾個方面。

1）當熱輸入定為22 500 J/m 時，當焊接速度從0.050 m/s 增加到0.055 m/s 時焊縫熔深增加了0.003 mm，從0.055 m/s 到0.060 m/s 時熔深增加0.17 mm，從0.060 m/s 到0.065 m/s 過程中熔深增加了0.01 mm，從0.065 m/s 到0.070 m/s 時熔深增加了0.03 mm，從0.070 m/s 到0.075 m/s 熔深增加了0.07 mm。焊接熔深受焊縫吸收能量的影響，焊接速度從0.050 m/s 到0.075 m/s 過程中，焊縫能量呈現階段性變化，因此焊縫熔深也呈階段性變化。

2）在熱輸入相同的情況下，從0.050 m/s 至0.055 m/s 能量吸收降低了45 J/m，0.055 m/s 到0.060 m/s能量吸收增加1795 J/m，0.060 m/s 到0.065 m/s 能量吸收降低了96 J/m，0.065 m/s 到0.070 m/s 能量吸收增加275 J/m，0.070 m/s 到0.075 m/s 能量吸收降低96 J/m。隨著焊縫吸收能量的增加，焊縫的冷卻速率將會降低。低的冷卻速率，將造成馬氏體組織粗大。