激光焊接熔池動態行為數值模擬的進展與分析

彭 進，龍偉民，張永振

1.中機智能裝備創新研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700

2.河南科技大學 高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471023

3.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045

0 前言

大功率激光制造是一種以“光能源”和“光工具”作為材料加工手段的先進技術，能夠很好地解決不同材料的加工、成形和精煉等問題，被稱為21世紀的綠色制造技術［1］。焊接是制造業的基礎工藝，在經濟建設中發揮著重要作用［2］。激光焊接作為特種焊接，具有能量密度高、焊接變形小、焊接精度高、焊接接頭質量與電子束焊接相差不大但不產生X射線等突出優點［2-4］，廣泛應用于航空航天、汽車制造、電力電子、船舶等領域［5-7］。

激光焊接常見的焊接缺陷有氣孔、咬邊、焊接變形等，而熔池的動態行為對焊接缺陷的形成有直接影響。對于熔池內部的動態行為，國內外主要采用實時監測和數值模擬的方法進行研究和分析。日本大阪大學在實時監測熔池內部動態行為研究方面具有代表性。隨著計算機技術的發展，激光焊接熔池行為的數值模擬技術得到了長足發展。通過數值模擬，可提前預測并采取相應措施減少焊接缺陷的形成，這將有利于提高激光焊接工件的焊縫質量。

文中對國內外激光焊接熔池行為的數值模擬技術，如激光深熔焊、雙束激光焊接、真空激光焊接、磁場作用下的激光焊接、液態金屬作用下的激光焊接熔池動態行為數值模擬的研究現狀進行了分析和概括。

1 激光深熔焊熔池動態行為數值模擬

激光深熔焊接以在熱源下方熔池內部存在匙孔為主要特征，也被稱為匙孔模式激光焊接，整個焊接過程涉及的物理現象包括：激光材料交互、熱傳導、熔化、蒸發、羽輝形成、流體流動和自由表面形成等。在激光深熔焊熔池行為的數值模擬方面，Han等［8］通過建立的激光焊接模型分析了焊接驅動力的影響，發現反沖壓力在焊接過程中有明顯作用，當不加載反沖壓力時，熔池中無法生成匙孔。Zhang等［9］建立了10 mm厚度鋼板激光全熔透焊接模型，發現在全熔透焊接中，熔池下表面可能比上表面更長、更不穩定。全熔透過程中，激光的一部分能量通過匙孔直接從底部射出而不與液態金屬接觸，這與非熔透焊的激光能量作用機制有很大區別，熔池瞬態流場是反沖壓力與表面張力共同作用的結果，熔池波動周期約8 ms。

Rai［10-13］建立了激光焊接熱流耦合模型，設定熔池表面為平面，匙孔處于準穩態，匙孔壁面的溫度為母材的沸點溫度。指出由于表面張力與溫度有直接關系，熔池表面的溫度梯度越大則表面張力梯度越大，熔池表面的流動方向為由匙孔開口處向熔池邊緣流動，進而增大了熔池寬度和熔池長度。Ye等［14］建立了激光全熔透焊接傳熱和流動的三維模型，發現除了焊接速度外，Marangoni對流對工件溫度分布和熔池熔體流動也起著至關重要的作用，即使是薄板的全熔透焊接也不容忽視。Ribic等［15］研究了表面活性元素在激光深熔焊中的作用，發現表面活性元素會影響表面張力梯度的大小和方向，進而引起Marangoni對流的變化，當表面活性元素含量增大到一定程度，則會改變熔池表面的流動方向（熔池液態金屬由熔池邊緣流向匙孔），進而縮小熔池的尺寸。

Chang等［16］建立了鈦合金全熔透激光焊接模型，發現對于較低功率、較低速度的焊接過程，匙孔后面的流體流動是湍流和不穩定的，形成渦流；對于更高功率、更高速度的焊接過程，流體流動湍流特性減弱，并且不會形成渦流。Sohail等［17］研究了激光焊接20 mm厚鋼板時熱輸入對熔池流場的影響，發現焊接速度會影響熔池尺寸，激光功率越高熔池渦流越明顯，這是因為在較高的熱輸入作用下，匙孔吸收的激光能量增多，熔池的體積增多，熔池底部的流體流動趨勢增強。

Wang等［18］通過建立的熱源模型發現渦流存在于熔池頂部和底部表面，渦流的存在有利于熱傳遞和熔池的形成，匙孔的形貌與激光功率、焊接速度有關。當焊接速度增加，匙孔前壁傾斜角度增大。Geiger等［19］建立的激光焊接模型中考慮了菲涅爾吸收、蒸氣壓力、表面張力、熔化和蒸發焓以及由于材料蒸發造成的能量損失，發現激光焊接鍍鋅板過程中，液態金屬沿匙孔前壁向下流動，匙孔的直徑尺寸出現周期性的變化。熔池中流體最高速度（約為0.5 m/s）出現在匙孔前壁的區域，在匙孔壁后部，熔體流動速度顯著降低。Zhao等［20］建立的模型考慮了等離子體、液態金屬、固態金屬的三種相，發現匙孔壁前方的液態金屬通過匙孔底部流向匙孔后方，熔池頂部的液態金屬從高溫區域流向低溫區域，隨著焊接時間的進行匙孔是不斷波動的，當匙孔深度突然降低，則在熔池底部形成焊接氣泡，這也是氣孔缺陷形成的主要原因，隨著激光持續照射進匙孔，匙孔深度變大。

Li［21］和 Lu［22］等在模型中引入了凝固模型和氣泡模型，研究了T型接頭匙孔型氣孔的形成過程，發現匙孔的不穩定性和熔池流動的復雜性導致了匙孔的倒塌以及氣泡的形成。熔池中不同部位的氣泡的移動軌跡不同，氣泡的移動主要受周圍流體及浮力的影響，一些氣泡移動過程中與其他氣泡合并。T型接頭的間隙由0 mm變為0.6 mm，焊縫氣孔率增大，當T型接頭的間隙變為1 mm時，焊縫氣孔率較低，這主要是由于在間隙附近匙孔保持張開的狀態。

Amara［23］、Zhang［24］等在模型中引入惰性氣體噴吹在熔池上方，模型考慮了熔池金屬蒸汽與液態金屬的相互作用以及熔池液態金屬與空氣的相互作用，通過在熔池上方吹入惰性氣體可提高熔池金屬的流動行為進而得到質量較好的焊接接頭。噴射的氣流不僅推動熔融金屬向熔池后方流動，同時在熔池表面形成適當的壓力有助于維持匙孔上部出口周圍的凹面。在噴射氣流的情況下推動匙孔開口上方周圍隆起的液態金屬向熔池后方流動，有利于擴大匙孔開口尺寸，維持匙孔的穩定性。

通過對以上文獻的分析可知，對于激光深熔焊熔池動態行為的數值模擬，目前主要集中在對焊接驅動力（表面張力、反沖壓力等）、焊接參數（焊接速度、激光功率等）、外部條件（表面活性元素、惰性氣體噴吹在熔池上方）對熔池流動、匙孔穩定性的影響，以及匙孔失穩與焊縫氣孔率的關系。研究相對全面，有利于后期激光深熔焊接實驗工作的開展。

2 雙束激光焊接熔池動態行為數值模擬

在雙束激光焊接熔池行為的數值模擬方面，Pang等［25］建立了雙光束激光焊接模型，發現當以串行排布模式進行雙束激光焊接時，沿焊接方向后一束激光形成的匙孔深度大于前一束激光形成的匙孔深度，這主要是由于前束激光的預熱效應造成的。在相同的焊接熱輸入條件下，與單束激光焊接相比，雙束串行激光焊接熔池會產生較小的湍流流動。陳偉東等［26］建立了并行雙束激光焊接模型，并對其匙孔行為進行研究，發現提高焊接速度，匙孔深度減小，同時匙孔形貌的波動行為減弱；隨著雙光束激光斑點距離的增大，匙孔深度減小，匙孔開口尺寸增大，當雙束激光光斑距離過大時，則在熔池中出現兩個獨立的匙孔，這對焊接過程也會產生很大程度的影響。

Yang等［27-30］建立了T型接頭雙側激光焊接模型，發現T型接頭雙側激光焊接過程中存在能量耦合的情況，熔池最大長度位于雙束激光的交匯部位，匙孔底部出現渦流流動行為，而且在匙孔上方存在對流。T型接頭雙側激光束是否貫通以及是否同步焊接對熔池流動行為影響較大，這將影響焊接氣泡的逃逸行為。當保持T型接頭雙側匙孔貫通、同步焊接時有利于焊接氣泡逃逸出熔池，提高焊接速度同樣有利于焊接氣泡逃逸出熔池。

通過對以上雙束激光焊接熔池動態行為數值模擬的分析，發現與單束激光焊接相比，雙束激光焊接有利于提高匙孔、熔池的穩定性。筆者認為，考慮到雙束激光焊接的優勢，后期可以將雙束激光焊接模型引入單束激光焊接過程容易產生焊接缺陷的“特殊工件”中（如異型接頭等），以期揭示其提高焊接穩定性的機理。

3 真空激光焊接熔池動態行為數值模擬

在真空激光焊接熔池動態行為數值模擬方面，Pang及Fabbro等［31-33］建立了真空環境激光焊接熱源模型，研究發現相同工藝參數下真空環境激光焊接熔深明顯大于大氣環境下的激光焊接熔深，這主要是真空環境下材料的沸點溫度降低導致的。隨著焊接速度的增加，匙孔前壁平均溫度逐漸升高，而且與大氣環境相比，在真空環境下匙孔前壁溫度增加的幅度明顯較大。

Tang等［34］建立了真空環境鋁合金激光焊接的三維數學模型，發現在較低的環境壓力下，激光能量在匙孔壁上分布更均勻，產生氣泡的可能性較小。環境壓力也會影響熔池的形狀和大小以及氣泡移動的距離，進一步影響氣泡能否逃逸出熔池。

Li等［35］建立了真空環境激光焊接數學模型，發現在真空環境下，匙孔的尺寸變大而且匙孔壁面的凸起現象減弱，熔池內部漩渦流動現象減弱，匙孔壁的液態金屬流動速度變快，這是由于真空環境下母材金屬蒸發速率提升導致的。

通過對以上文獻的分析可知，真空環境激光焊接可提高匙孔的穩定性、改變熔池的流動。但模型中沒有考慮匙孔內部金屬蒸汽的可壓縮動力學，以及其與匙孔內壁間相互作用。在后期的研究中，可編制相應的程序導入數值模擬軟件中，研究匙孔內部金屬蒸汽與匙孔內壁間相互作用機理。

4 磁場作用下的激光焊接熔池動態行為數值模擬

在磁場作用下的激光焊接熔池動態行為數值模擬方面，Zhou等［36］建立了磁場作用下的脈沖激光焊接模型，研究電磁場對瞬態熔池金屬流動、匙孔動態行為、氣孔形成的影響。研究發現，氣孔的形成與液態金屬的凝固速度、回填速度有關。如果匙孔上方的液態金屬回填速度不夠快，不能及時到達匙孔底部，則容易產生氣孔缺陷。在激光焊接過程中，通過施加電磁場可在匙孔倒塌時提高液態金屬的回填速度，進而降低焊縫氣孔缺陷。

Chen等［37-40］研究了磁場作用下的鋁合金激光全熔透的熱電電流和熱電磁效應，發現熱電電流密度在熔池達到穩定前處于持續波動狀態。在磁場作用下，隨著磁通密度從0 mT增加到238 mT，鋁合金焊縫的成形質量得到提高，尤其是焊縫表面寬度明顯減小。當外加的磁場由200 mT增至500 mT時，將減弱熱毛細對流效應，有利于改變焊縫形貌。

Bachmann等［41-45］建立了電磁場作用下的激光焊接三維熱流耦合模型，模型中考慮了熱毛細對流、自然對流、相變潛熱的情況，發現在鋁合金激光焊接過程中，沿焊接方向在橫向磁場作用下，熔池底部的液態金屬流動速度明顯降低，并且由于熔池流體的作用使熱量沿焊縫橫向傳遞，這樣焊縫呈現V形的趨勢增強。

綜上可知，磁場能夠影響熔池流動行為、抑制缺陷，進而提升焊縫性能。后期可通過編制程序建立宏微觀耦合的多尺度仿真模型，模擬磁場對全尺寸熔池凝固過程行為的影響，進一步揭示磁場影響下的熔池流動、組織演變的相關性。

5 液態金屬作用下的激光焊接熔池動態行為數值模擬

在液態金屬作用下的激光焊接熔池動態行為數值模擬方面，Rao等［46］指出，激光-GMAW復合焊接時，當焊絲熔化的液態熔滴滴入熔池時，熔滴所攜帶的熱能和動能進入熔池中，會造成熔滴進入熔池的接觸面區域溫度升高，熔池獲得了額外的熱量，其凝固速度將降低。Gao等［47］建立了激光-MIG復合焊接模型，考慮了反沖壓力、電磁力等焊接作用力的影響，發現激光焊接反沖壓力以及焊絲熔化后的熔滴滴入熔池均會造成焊縫熔深的增加。

Wu等［48］通過建立的激光-MIG復合焊接模型，發現復合焊接過程中匙孔的形成分為三個階段：初始狀態的穩定階段、匙孔快速擴展階段以及熔池匙孔振蕩/動態穩定階段。Cho、Na等［49-50］建立了激光-GMA復合焊接三維模型，引入了電磁力、表面張力以及電弧力，通過光線追蹤技術實現了激光能量在匙孔壁面的多次反射。研究發現，在焊絲熔化后以液態熔滴方式進入熔池過程中，匙孔出現了張開和閉合情況，在反沖壓力的作用下匙孔底部的金屬向下流動，當流動到熔池底部的固/液界面時，則向熔池后方流動，在浮力作用下產生向上的流動趨勢，最終在匙孔后方產生一個流動漩渦，此時熔池內部流動行為較為復雜。Cho、Na等［51］建立了激光-GMA復合焊接合金元素分布模型，發現焊縫上部的Cr/Ni含量較多，且比較均勻，這是由于在匙孔后方存在順時針的流動漩渦，流動漩渦的作用有利于合金元素的均勻分布。

Peng等［52］建立了熔滴填充作用下的激光焊接熱流耦合模型，研究發現，當熔滴填充進入熔池時，由于熔滴距離匙孔較近容易造成對匙孔的沖擊，影響匙孔的穩定性。熔滴填充也會對熔池流動速度產生影響，熔滴進入熔池過程中匙孔底部的流體流動速度變大。

通過對以上文獻的分析可知，液態金屬進入熔池會對匙孔、熔池造成一定程度的沖擊，影響焊接的穩定性。但液態金屬進入熔池并與其進行傳熱傳質，同樣會影響合金元素在焊縫的分布。后期可編制相應程序，與合金元素分布和組織演變相結合，進一步揭示對焊縫質量影響的機理。

6 結論

（1）激光深熔焊接過程中，反沖壓力、由表面張力梯度引起的Marangoni對流對熔池的動態行為影響較大。焊接過程中，匙孔處于實時波動狀態，當匙孔倒塌后，則產生焊接氣泡。在熔池上方噴吹惰性氣體可提高匙孔以及熔池流場的穩定性。

（2）相比單束激光焊接，雙束串行激光焊接熔池產生較小的湍流流動，提高焊接速度，匙孔深度減小，同時匙孔形貌的波動行為減弱。T型接頭雙側匙孔貫通、同步焊接時有利于焊接氣泡逃逸出熔池。

（3）真空激光焊接可提高熔池流場的穩定性，熔池內部漩渦流動現象減弱，產生氣泡的可能性較小。

（4）通過施加電磁場可在匙孔倒塌時提高液態金屬的回填速度，進而降低焊縫氣孔缺陷。磁場將減弱熱毛細對流效應，有利于改善焊縫成形質量。

（5）焊絲熔化后的熔滴滴入熔池會增加焊縫熔深、降低熔池凝固速度。同時也會影響熔池的流場，造成對匙孔的沖擊，匙孔易出現閉合情況。