AH36 薄板激光-電弧復合焊熔滴過渡與熔池分析

潘南旭，葉欣， 景豪豪，夏鵬，王佳驥

（1. 上海工程技術大學材料科學與工程學院，上海 201620；2. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室， 遼寧 鞍山 114009）

AH36 是廣泛應用于造船業的高強度船體結構鋼板，主要用于制作重要的結構件，內部通常表現為鐵素體和珠光體組織[1]，且易形成織構[2-3]。采用激光-電弧復合焊接使兩種不同熱源作用于同一熔池，激光與電弧的耦合作用可顯著提高焊接速度和焊深[4]，增強間隙橋接能力和工藝穩定性[5]，消除氣孔和縮小熱影響區[6]，提高焊接效率、焊接穩定性和熔透性[7-8]。激光功率、焊接電流、激光弧距等因素均對焊縫成形、協同效應和焊接穩定性產生影響[9-10]。 在焊接過程中生成的激光等離子體和匙孔對電弧穩定和熔滴過渡影響較大[11]，從而影響焊接穩定性和焊接質量[12]。

本文在AH36 薄板激光-電弧復合焊中，通過高速攝像觀察并記錄熔滴過渡過程， 分析不同激光功率對熔滴過渡形式、頻率的影響，并運用計算流體動力學（CFD）方法分析熔滴過渡沖擊對熔池溫度與流場的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料選取AH36 海工鋼薄板， 采用平板對接方式焊接。 焊接件的規格為300 mm×150 mm×5 mm，母材化學成分如表1 所示。

表1 母材化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in Base Metal （Mass Fraction） %

焊接時采用流量為20 L/min 的純氬氣作為保護氣體，焊絲為直徑1.2 mm 的JM-56 鋼，化學成分見表2。 焊接前進行表面清潔處理，用砂紙去除工件表面氧化層。

表2 焊絲化學成分（質量分數）Table 2 Chemical Compositions in Welding Wires （Mass Fraction） %

1.2 實驗設備

實驗設備為激光-電弧復合焊接系統，見圖1所示。 系統包括激光焊接系統、電?。∕IG）焊接系統、運動系統以及高速攝像系統。激光焊接系統主要包括TruDisk16002 激光器和HIGHYAG 焊接激光頭；MIG 焊接系統主要包括KEMPPI 焊機、KempArc 送絲機和德國TBI 公司的RM42W 水冷焊槍；運動系統由ABB 公司的IRB4600 機器人組成；高速攝像機使用了美國的幻影VEO710L。

圖1 激光電弧復合焊系統Fig. 1 Laser-arc Hybrid Welding System

激光器最大功率能達到16 kW， 通過光纖將激光器產生的激光傳遞到激光加工頭。 激光聚焦裝置安裝在工作臺上并將光斑對準焊炬前端進行掃描。焊槍連接在工作臺后端， 其輸出電壓經電纜傳送至工件上，工件由夾具夾緊。激光加工頭在電弧焊槍前面，入射角度為90°。 電弧焊槍和工件成45°角安置。激光束與電弧的光絲間距設置為2 mm。高速攝像機記錄焊接實時過程，掃描速率為1 000 fps。

1.3 實驗方法

表3 為焊機額定參數。 在焊接實驗過程中，不同工藝參數會導致焊縫的成形及質量出現差異。 首先確定焊接件對接方式、焊接保護氣、激光頭與MIG焊槍位置。 激光束垂直入射，MIG 焊槍與激光頭呈45°。 焊接過程中激光束在MIG 焊電弧前面，激光具有穩定電弧作用，焊接過程飛濺少，焊縫成形性好。焊接過程使用高速攝像機實時拍攝熔滴過渡過程，研究熔滴過渡機理以及對焊縫成形的影響。

1.4 CFD 數值分析

在焊接實驗中，熔池內部液態金屬的流動、傳熱會影響焊縫成形以及質量。焊接接頭的組織、力學性能以及缺陷都可以通過熔體流動來分析，因此研究焊接過程中熔池動力學行為具有重要意義。 通過CFD 數值模擬建立三維瞬態數學模型，獲取各種條件下熔池內部的瞬時數據。

依據焊接實驗得到熔池與焊縫尺寸， 熔滴過渡形式與頻率等數據。 基于VOF 體積分數法，建立固液氣三相CFD 模型，進行三維瞬態多場耦合分析，如圖2 所示。 模型采用反沖壓力，綜合考慮了表面張力、電磁力、浮力、反沖壓力、蒸發冷凝、蒸發換熱、熔滴過渡、對流換熱、輻射換熱等因素的影響，根據實驗所得焊縫形貌、熔池尺寸、熔滴過渡特征等參數校正模型。 借助可靠的仿真結果研究雙熱源耦合作用下的熔池動力學行為， 考查各種驅動力及焊接工藝參數對熔池流動、 匙孔成形、熔深變化等規律的影響。

激光-MIG 電弧復合焊接具有典型的“丁”字形，上部分受電弧的影響比較大，數值模擬時采用雙橢球熱源；下部分受激光的影響比較大，數值模擬時采用高斯面熱源與高斯旋轉體熱源， 即以組合熱源模型對復合焊接熱源進行表征。

2 熔滴過渡分析

2.1 熔滴過渡周期

實驗中激光和MIG 電弧焊實際工作參數選擇如下：激光功率7.5 kW，電流204 A，電壓32 V，光絲間距2 mm，離焦量0 mm，焊接速度42 mm/s，送絲速度167 mm/s。 圖3 為熔滴過渡的一個周期過程。

圖3 熔滴過渡的一個周期過程Fig. 3 One Period Process of Droplet Transition

激光-電弧復合焊接時產生的激光對熔滴產生熱輻射作用，引起熔滴溫度的變化，改變熔滴表面張力，從而影響熔滴過渡行為。 由圖3（a）看出，上一個熔滴過渡周期結束，新的熔滴開始生成。 由圖3（b）、3（c）看出，隨著電流電壓持續加熱焊絲，熔滴體積不斷增加，熔滴近似球狀。 隨著時間的推移，熱源持續作用， 熔滴體積繼續增大， 熔滴重量不斷增加。 由圖3 （d）看出，當熔滴的重力大于阻礙熔滴脫離焊絲的表面張力等阻礙時， 熔滴與焊絲連接的部分開始變細，出現頸縮現象。 由圖3（e）、3（f）看出，熱源繼續加載，熔滴重力繼續增加，頸縮現象越來越明顯， 最終熔滴脫離焊絲進入熔池中，此時一個熔滴過渡周期完成。

實驗中發現由于激光功率較大或光絲間距較小時，激光對焊絲以及熔池的影響比較大，因而強烈干擾熔滴的過渡行為。 圖4 為高速攝像機拍攝的激光-電弧復合焊熔滴過渡行為。 由圖4（a）看出，由于熔滴生長階段重力大于阻礙力，熔滴與焊絲連接位置出現頸縮現象。 由圖4 （b）看出，熔滴即將脫離焊絲時受激光的干擾阻礙作用出現破裂，產生大量飛濺。大熔滴在進入熔池時也會產生飛濺現象，這是由熔滴沖擊力較大引起的。

圖4 激光-電弧復合焊熔滴過渡行為Fig. 4 Behavior of Droplet Transition during Laser-arc Hybrid Welding

激光功率過大或光絲間距較小時同樣會出現其它問題，如熔滴過渡時出現巨型熔滴。激光產生的匙孔內部存在大量金屬蒸汽， 金屬蒸汽劇烈生成并快速離開匙孔，對匙孔上方的熔滴產生阻力，阻止熔滴的脫落，從而使熔滴過渡困難，熔滴需要更大的重力才能完成過渡。 圖5 為激光-電弧復合焊形成的大熔滴。 圖5 （a）的熔滴寬度大于焊絲直徑，長度是寬度的兩倍，是一個典型的大滴，此時熔滴仍然沒有脫離焊絲。 圖5 （b）示出了熱源繼續作用，送絲繼續進行，焊絲前端持續熔化增大熔滴的體積，最終，大熔滴的重力大于熔滴表面張力和匙孔對熔滴的阻礙力，脫離焊絲并進入熔池，產生大量飛濺。

圖5 激光-電弧復合焊形成的大熔滴Fig. 5 Large Molten Droplet Formed by Laser-arc Hybrid Welding

圖6 為大小熔滴混合過渡。 如圖6 所示，一個大熔滴過渡周期完成之后， 會出現連續的小熔滴過渡，在較短時間內結束小熔滴過渡周期后，巨型熔滴繼續出現，呈現大小熔滴混合現象。巨型熔滴進入熔池后，焊絲端接連甩出幾個小熔滴，第一個小熔滴還沒有進入熔池， 第四個小熔滴已經脫離焊絲。此時，焊絲前端與熔池之間同時存在四個熔滴過渡行為，并接連進入熔池，產生大量飛濺。 因此，較小的光絲間距下，復合焊接過程中激光會對熔滴過渡產生干擾，阻礙熔滴過渡。

圖6 大小熔滴混合過渡Fig. 6 Mixed Transition of Large and Small Droplets

2.2 不同激光功率的熔滴過渡

圖7 為不同激光功率的熔滴過渡行為。 如圖7 （a）所示，激光功率為7.0 kW 時，一個完整的過渡周期時長（T）是6.6 ms。 T=0 ms 時熔滴開始生成，隨著熱源繼續作用，焊絲前端不斷熔化，熔滴逐漸長大。 持續到T=5.4 ms 時，熔滴重力大于熔滴表面張力和金屬蒸汽對熔滴的阻礙，熔滴與焊絲連接位置出現頸縮現象。隨后熔滴脫離焊絲，T=6.6 ms時進入熔池，一個完整的熔滴過渡周期完成。 如圖7 （b）所示，激光功率為7.5 kW 時，一個完整的過渡周期時長5.8 ms。 與激光功率7.0 kW 相比，該功率過渡周期更短，T=4.7 ms 時產生明顯的頸縮現象，T=5.8 ms 時熔滴進入熔池。 如圖7 （c）所示，激光功率為8.0 kW 時， 一個完整的熔滴過渡周期時長是4.9 ms，T=4 ms 時熔滴產生明顯的頸縮現象。激光功率為7.0～8.0 kW 時都是典型的滴狀過渡。

圖7 不同激光功率的熔滴過渡行為Fig. 7 Behaviors of Droplet Transition with Different Laser Powers

隨著激光功率的增大， 一個完整的熔滴過渡周期時間在縮短，熔滴過渡頻率增加。 同時，增大激光功率，熔滴的尺寸在逐漸減小。這是由于熔滴過渡過程中，熔滴的轉移主要受熔滴重力、熔滴表面張力和熔池金屬蒸汽的影響，重力是向下的力，表面張力和熔池金屬蒸汽的合力對熔滴的作用方向與重力相反。 熔滴只有長大到重力可以克服影響轉移的阻力時才能發生熔滴過渡現象。 激光光致等離子體通過被熔滴吸收，升高熔滴的溫度，加大熔滴表面物質的流動速度， 減小熔滴的表面張力。隨著激光功率增大，產生的激光光致等離子體密度增大，熔滴吸收的能量增多，熔滴表面張力持續減小。因此，增加激光功率可以減小影響熔滴過渡的阻礙力，使熔滴過渡行為更容易進行。

2.3 熔滴沖擊力的影響

焊接過程中， 焊絲吸收足夠能量后熔化為熔滴。 隨著時間的推移，熔滴越來越大，當熔滴的重力大于其表面張力時，熔滴脫離焊絲進入熔池中。高速下落的熔滴會對熔池產生沖擊，影響熔池的流動，進而影響焊縫的成形。圖8 為熔滴對熔池形狀的影響。

圖8 熔滴對熔池形狀的影響Fig. 8 Effect of Droplets on Shape of Molten Pool

觀察圖8 （a）、8（b）發現，有熔滴過渡的焊接熔池寬度大于沒有熔滴過渡的焊接。 觀察圖8 （c）、8（d）發現，有熔滴過渡的焊接熔池深度大于沒有熔滴過渡的焊接，此外有熔滴過渡的焊接焊縫的余高更高。綜上所述，熔滴可以有效提高熔池寬度，深度以及焊縫余高。這是由于熔滴過渡時會對熔池產生沖擊力，在沖擊力作用下熔池內液態金屬更容易完成傳質和傳熱， 將熱量轉移到熔池邊緣和底部，增加熔池的寬度和深度，同時，沖擊力將熔池中心的熔體擠向四周，增加焊縫的余高。

2.4 熔滴對溫度場的影響

圖9 為熔滴對熔池溫度分布的影響。

圖9 熔滴對熔池溫度分布的影響Fig. 9 Effect of Droplets on Temperature Distribution in Molten Pool

選取圖9（a）熔池上表面垂直于焊縫的路徑LA和焊接方向焊縫中心的路徑LB 上的20 個點，測量其溫度分布情況，比較不同條件下同一點的溫度變化。 由圖9（c）可以看出，最高溫度位于熔池中心，無熔滴焊接時，熔池中心的最高溫度高于有熔滴焊接時，但是無熔滴焊接時，熔池附近溫度曲線比有熔滴焊接時更加陡峭，溫度梯度更高，熔池寬度比有熔滴焊接時更小。這是由于熔滴過渡沖擊熔池上表面， 導致熔池上表面熔體流動更加活躍，熔池中心的熱量更容易轉移到熔池邊緣和熔池深處，造成熔池中心溫度降低，溫度梯度減小，熔池寬度和深度增加。由圖9 （d）可以看出，激光輻射位置最高溫度遠高于電弧輻射位置最高溫度。熔滴對激光輻射區域影響很小，對電弧區域影響較大， 可以有效增加熔池長度。 由此認為，存在熔滴過渡時的焊接效果更佳。

2.5 熔滴對流場分布的影響

圖10 為熔池上表面流場分布。

圖10 熔池上表面流場分布Fig. 10 Flow Field Distribution on Upper Surface of Molten Pool

存在熔滴過渡行為時， 復合熔池的長度和寬度均有所增大， 這是由于熔滴進入熔池時會對熔池施加一個沖擊力， 增加了熔池內熔體流動與傳熱。分析圖10 （a）發現，有熔滴過渡的焊接熔池在熔滴進入熔池的瞬間， 熔池上表面處最大的流動速度在熔池中心，為0.77 m/s。 分析圖10 （b）發現， 沒有熔滴過渡的焊接熔池上表面處最大的流動速度在熔池邊緣，為0.38 m/s。 這是由于沒有熔滴過渡時， 熔池上表面溫度梯度最大處在熔池邊緣， 由溫度差異引起的馬蘭戈尼力主要影響這次熔池邊緣的流動情況。存在熔滴過渡時，進入熔池的熔滴對熔池施加了沖擊力， 熔滴沖擊力大于熔池邊緣的馬蘭戈尼力，因此對熔池的影響更大。

圖11 為熔池縱截面流場分布。

圖11 熔池縱截面流場分布Fig. 11 Flow Field Distribution in Longitudinal Section of Molten Pool

由圖11 看出，存在熔滴過渡行為時，電弧區深度和復合熔池的深度均有所增大， 這是由于熔滴進入熔池時會對熔池施加一個向下的沖擊力，增加了熔池內熔體向下流動的趨勢。此外，存在熔滴過渡時，熔滴沖擊熔池中心，熔池中心往下凹進去，引起熔池邊緣的熔化金屬增加，導致焊縫余高變大。 沒有熔滴過渡的焊接，熔池表面比較平坦，沒有大的起伏，焊縫余高較小。由圖11（a）看出，熔滴過渡瞬間，熔滴速度約為3.09 m/s。 熔池縱截面上，熔池中心的流動速度最大，約為2.82 m/s。 由圖11（b）看出，沒有熔滴過渡的焊接熔池，在熔池縱截面上，熔池底部流速受匙孔影響，匙孔底部流動速度可達約0.76 m/s。 這是由于沒有熔滴過渡時， 熔池縱截面流速比較平緩， 高能量密度的激光輻射引起匙孔的生成，產生大量金屬蒸汽，對匙孔施加反沖壓力， 既保證了匙孔的穩定性又增加了匙孔底部熔體流速，進而增大熔池深度。

3 結論

（1） 激光功率過大或光絲間距過小時，熔滴出現縮頸現象， 即將脫離焊絲進入熔池時受激光的干擾阻礙作用，熔滴出現破裂并造成飛濺。

（2） 熔滴過渡受金屬蒸氣反沖壓力抑制，致使大熔滴出現。 過大的激光功率使得匙孔內部生成大量金屬蒸汽， 向上快速離開匙孔的金屬蒸汽阻礙了熔滴脫離焊絲， 導致熔滴積聚長大直至獲得完成過渡所需重力。

（3） 適當增加激光功率，可降低熔滴表面張力，增加熔滴過渡頻率，減小熔滴尺寸。激光功率從7.0 kW 增加至8.0 kW 過程中，熔滴表面物質流動速度隨溫度升高而增加，完整熔滴過渡周期由6.6 ms 減至4.9 ms，熔滴形成時間的縮短導致過渡尺寸的減小。

（4） 熔滴沖擊熔池，可促進熔池流動與傳熱。熔池上表面受到沖擊后， 熔體流動最大速度由0.38 m/s 增加至0.77 m/s，使熔池中心熱流轉移到熔池邊緣和熔池深處，降低熔池中心溫度。

致謝

海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室實驗室（SKLMEA-K201906），上海市III 類高峰學科-材料科學與工程（高能束智能加工與綠色制造）。