一、激光焊接的機(jī)理與控制技術(shù)原理與特點(diǎn)

現(xiàn)代運(yùn)載工具的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)是運(yùn)行高速化、結(jié)構(gòu)輕型化。由此對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造提出了更高要求，如輕量化、整體化、高可靠、長(zhǎng)壽命和低成本綠色制造等。為此，以高強(qiáng)輕質(zhì)鈦合金、鋁合金等為典型結(jié)構(gòu)材料，以高能量密度束流作為焊接熱源的高能束流焊接制造整體結(jié)構(gòu)，成為順應(yīng)這一發(fā)展需求的先進(jìn)制造技術(shù)成果之一。高能束流焊接制造借以諸多優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為材料加工和先進(jìn)制造技術(shù)具有革命性變化的新技術(shù)，特別是在新型輕質(zhì)合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的焊接制造中具有廣闊應(yīng)用前景，代表之一就是大型復(fù)雜鈦合金、鋁合金。

帶筋壁板或型腔結(jié)構(gòu)的激光高速高效焊接制造。激光是基于原子受激輻射的原理，使工作物質(zhì)受激而產(chǎn)生的一種高強(qiáng)度的相干光。除了與普通光一樣服從所有的光學(xué)規(guī)律外，激光還具有一些其他任何光源所不具備的特性如方向性好、亮度高及單色性好等。正是激光的方向性好和亮度高構(gòu)成了能量在空間和時(shí)間上的高度集中，可傳輸極遠(yuǎn)的距離并具有高能量或高強(qiáng)度，在材料加工領(lǐng)域(包括焊接)中可視為理想的熱源。激光作為一種新能源的應(yīng)用大大拓寬了材料加工的應(yīng)用領(lǐng)域激光焊接就是激光應(yīng)用的重要方面之一。

激光焊接是一種利用經(jīng)聚焦后具有高能量密度(10^6~10^12 W/cm)的激光束作為熱源來(lái)加熱熔化工件的特種熔化焊方法。它是基于光熱效應(yīng)的熔化焊接，其前提是激光被材料吸收并轉(zhuǎn)化為焊接需求的熱能。通常，不同強(qiáng)度的激光作用于材料表面所導(dǎo)致的物理現(xiàn)象不同，如圖6-1所示，包括表面溫度升高、熔化、汽化、形成小孔以及產(chǎn)生光致等離子體等，這些物理現(xiàn)象決定了焊接過(guò)程熱作用機(jī)制，使得激光焊接存在熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種焊接模式。兩種模式的轉(zhuǎn)變主要取決于作用在材料上的激光斑點(diǎn)功率密度。

圖6-1 不同強(qiáng)度激光作用于金屬產(chǎn)生的物理過(guò)程

對(duì)于特定的材料，存在一個(gè)特定的功率密度閾值(對(duì)大多數(shù)鋼而言，該功率密度閾值為0.5x10^6~10^7W/cm)。當(dāng)作用于材料的激光功率密度低于該閾值時(shí)，激光能量被材料表面吸收并很快地向材料內(nèi)部傳輸，形成寬深比較大的熱導(dǎo)焊縫。而當(dāng)作用于材料的激光功率密度高于該閾值時(shí)，在工件表面還來(lái)不及向材料內(nèi)部傳熱，激光能量就使材料表面迅速升溫、熔化和汽化。并隨著激光能量的繼續(xù)輸入，形成沿穿透厚度方向的小孔。小孔周圍為液體金屬熔池，小孔內(nèi)充滿了高溫金屬蒸氣和等離子體。高溫金屬蒸氣和等離子體的膨脹力與小孔周圍液體金屬的重力和表面張力共同作用，維持小孔的穩(wěn)定存在。小孔沿著焊接方向移動(dòng)，后部熔池迅速冷卻凝固，并形成深寬比較大的深熔焊縫。因此，激光焊接模式與決定熱作用機(jī)制的激光功率密度和焊接線能量相關(guān)。當(dāng)激光功率密度低于10^6W/cm時(shí)，激光加熱僅限于金屬表面，可達(dá)到多數(shù)金屬的熔化閾值，但無(wú)汽化，此時(shí)金屬在激光持續(xù)作用(足夠線能量)下，以熱導(dǎo)焊模式形成焊縫，焊縫成形機(jī)理與常規(guī)熔化焊接相同。激光熱導(dǎo)焊接一般應(yīng)用于電子元件封焊和超薄材料焊接。

當(dāng)激光功率密度高于10^6W/cm，激光使金屬瞬間熔化、汽化，如果線能量足夠，金屬蒸氣力在熔化金屬中產(chǎn)生微細(xì)小孔，焊接過(guò)程以具有小孔效應(yīng)的深熔焊接模式形成焊縫。深熔焊小孔被熔池金屬包圍，內(nèi)部充滿高溫金屬蒸氣和等離子體，如圖6-2所示，焊接過(guò)程小孔靠金屬蒸氣力和液體金屬重力與表面張力平衡來(lái)維持，小孔內(nèi)激光與材料的熱力耦合是激光深熔焊接模式的熱作用機(jī)制，主要應(yīng)用于度大于1mm結(jié)構(gòu)的焊接。

圖6-2激光深熔焊接原理示意圖 

與傳統(tǒng)弧焊方法相比，激光焊接技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(見表6-1)，是一種先進(jìn)的焊接技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在過(guò)去幾十年中迅速發(fā)展，從脈沖波焊接逐漸演變?yōu)檫B續(xù)波、大功率厚板、多工作臺(tái)焊接，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、高速鐵路等領(lǐng)域。在軍用飛機(jī)制造中，鋁合金與鈦合金的激光焊接應(yīng)用顯著增長(zhǎng)，這兩種材料在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)中分別占結(jié)構(gòu)重量的60%和20%以上。激光焊接技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的鉚接方式，顯著減輕重量、降低成本并提高材料利用率。例如，空客A380機(jī)身壁板通過(guò)激光焊接可減重15%、降本15%。

在國(guó)內(nèi)，大型帶筋壁板結(jié)構(gòu)焊接在飛行器和艦船應(yīng)用中越來(lái)越普及。與機(jī)械加工和鉚接方式相比，激光焊接不僅節(jié)省材料，還提升構(gòu)件輕量化和可制造性，縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本。然而，激光焊接過(guò)程復(fù)雜，涉及快速加熱、冷卻、材料相態(tài)變化，尤其對(duì)鋁合金和鈦合金的焊接，因高反射率、高導(dǎo)熱性和表面張力大等特點(diǎn)，帶來(lái)了焊接質(zhì)量控制和穩(wěn)定性等技術(shù)難題，焊接過(guò)程穩(wěn)定性差、缺陷控制不成熟、結(jié)構(gòu)外形不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題突出。這些問(wèn)題的根本原因在于缺乏對(duì)鈦合金、鋁合金焊接性及力學(xué)性能的基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致接頭疲勞壽命、應(yīng)力變形控制等難以滿足輕質(zhì)合金構(gòu)件的高可靠性要求，與國(guó)際水平存在較大差距。

二、激光焊接熔池行為研究

以“小孔”效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的高能束流(激光、電子?xùn)|和等離子體)深熔焊接，與傳統(tǒng)的弧焊方法相比，以能量密度高、線能量輸入小、焊縫的深寬比高、熱影響區(qū)小、變形小、焊接質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高及控制靈活等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注。特別是20世紀(jì)80年代以后，高能束流焊接技術(shù)呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢(shì)。

但是在焊接過(guò)程中，由于工藝參數(shù)多及工作條件復(fù)雜等原因，常出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題特別是在焊接大厚度截面結(jié)構(gòu)以及大尺寸、長(zhǎng)焊縫壁板過(guò)程中，容易造成焊接成形不好或存在嚴(yán)重的焊接缺陷，或焊接過(guò)程不穩(wěn)定，常常中斷，影響焊件的成品率，從而對(duì)高能束深熔焊接技術(shù)在航空航天及國(guó)防領(lǐng)域的推廣應(yīng)用有一定影響。

研究表明，在焊接過(guò)程中，與焊接接頭質(zhì)量密切相關(guān)的主要因素是焊接熔池的穩(wěn)定存在，而對(duì)于高能束深熔焊過(guò)程來(lái)說(shuō)，其主要的表現(xiàn)形式是熔池“小孔”的穩(wěn)定存在。因此，高能束流深熔焊穩(wěn)定的焊接過(guò)程是焊接接頭質(zhì)量保證的先決條件，而要保證穩(wěn)定的焊接過(guò)程，基礎(chǔ)是焊接過(guò)程中“小孔”的穩(wěn)定存在。通過(guò)對(duì)電子束、激光及等離子深熔焊焊接過(guò)程觀察及焊縫解剖發(fā)現(xiàn)，造成焊接質(zhì)量缺陷往往是由于焊接過(guò)程中熔池“小孔”不穩(wěn)定造成的。研究表明，在焊接過(guò)程中，與焊接接頭質(zhì)量密切相關(guān)的主要因素是焊接熔池的穩(wěn)定存在，而對(duì)于激光深熔焊過(guò)程來(lái)說(shuō)，其主要的表現(xiàn)形式是熔池“小孔”的穩(wěn)定存在。通過(guò)對(duì)激光深熔焊過(guò)程的試驗(yàn)研究表明，激光深熔焊接過(guò)程中,“小孔”的穩(wěn)定存在以及在“小孔”的形成與消失過(guò)程中，激光焊接功率、焦點(diǎn)位置、焊接速度、裝配間隙等各種參量對(duì)“小孔”的存在狀態(tài)及形貌有著直接的影響。因此，研究分析激光深熔焊條件下不同工藝參數(shù)對(duì)“小孔”行為的影響，從而掌握不同焊接工藝參數(shù)條件對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，可為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程及質(zhì)量控制創(chuàng)造良好條件。

焊接熔池的傳熱和流體流動(dòng)研究是焊接技術(shù)基礎(chǔ)研究的重要領(lǐng)域，同時(shí)也是焊接冶金模擬中較為復(fù)雜的一個(gè)方向。在焊接熔池內(nèi)發(fā)生的主要物理變化有液體金屬的流動(dòng)，熔池中熱量的轉(zhuǎn)移，熔池內(nèi)溶質(zhì)的擴(kuò)散與遷移，金屬的熔化、蒸發(fā)與凝固和自由表面上的熱轉(zhuǎn)移等，對(duì)這些物理現(xiàn)象的研究都與對(duì)焊接熔池的流體流動(dòng)研究有關(guān)。建立熔池內(nèi)液體金屬傳熱與流體流動(dòng)模型需要以下幾個(gè)基本假設(shè)條件:①焊接熱源的能量分布符合高斯分布熱源的傳熱系數(shù)恒定;②焊接材料的熱物理參數(shù)為常數(shù)，但是在液相和固相時(shí)的熱物理參數(shù)不同;③流體為層流不可壓縮流體，即流體為牛頓型流體，材料密度為常量，并且一般采用布辛涅斯克(Boussinesq)近似;④焊接熔池凝固后期，液體金屬的流動(dòng)近似采用多孔介質(zhì)的流體流動(dòng)模型。

三維焊接熔池流體動(dòng)力學(xué)分析表明，熔池內(nèi)液體金屬流動(dòng)主要涉及兩個(gè)方程，一個(gè)是Navier-Strokes方程，另一個(gè)是能量守恒方程。在對(duì)上述動(dòng)量方程和能量守恒方程的求解中，Patanker 和Spalding 提出了SIMPLE ( semi-implicit method for press-linked equation )的有限差分算法來(lái)求解方程中的傳熱和流動(dòng)問(wèn)題。這種方法對(duì)于速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)之間的耦合是非常有效的。Lei、Wang、Mundra和 Debroy等分別用 SIMPLE算法和試驗(yàn)的方法對(duì)用不同焊接方法進(jìn)行焊接熔池的傳熱與流體流動(dòng)進(jìn)行了模擬與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接熔池中熔池的表面張力直接影響熔池內(nèi)液態(tài)金屬的溫度和流體流動(dòng)。Paul和Debroy等對(duì)熔池中表面張力引起的流動(dòng)進(jìn)行了仔細(xì)的研究，研究表明激光功率、激光束流半徑對(duì)熔池表面張力引起的流體流動(dòng)有顯著的影響，如圖6-3所示。

圖6-3激光束能量和直徑對(duì)熔池內(nèi)流體流動(dòng)模式的影響

一般而言，液體金屬的密度隨著溫度的增加而減小。激光熱源位于熔池表面的中心，熔池金屬中心的溫度高于熔池邊緣溫度。重力使熔池邊緣較重的液體金屬下沉。這樣，液體冷金屬沿著熔池邊界向下流動(dòng)，液體熱金屬沿著焊接熔池中心軸向上流動(dòng)，如圖6-4(a)所示。由浮力產(chǎn)生的對(duì)流，沿著熔池中心軸產(chǎn)生最大流動(dòng)速度，而加熱和熔化金屬的膨脹使得熔池中心位置上表面液體的高度略高于工件上表面。

對(duì)由表面張力梯度產(chǎn)生的剪切應(yīng)力而言，在沒(méi)有表面活性劑作用的情況下，液體金屬的表面張力y隨著溫度的增加而減小，即ar/0T<0。就像圖6-4(b)所示的那樣，在焊接熔池表面的中心，液體金屬的溫度較高，其對(duì)應(yīng)的表面張力小，而熔池邊緣冷的液體金屬具有較高的表面張力。這樣，表面張力之差將熱的液態(tài)金屬向熔池邊緣方向拉動(dòng)。換言之，沿熔池表面，由表面張力梯度產(chǎn)生了一個(gè)方向由焊接熔池中心向熔池邊緣的剪切應(yīng)力。此剪切應(yīng)力使得液體金屬?gòu)娜鄢乇砻娴闹行南蛉鄢剡吘壍牧鲃?dòng)，流動(dòng)到了熔池邊緣后又在熔池表面下方向熔池中心的方向流動(dòng)。表面張力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流也叫作Marangoni對(duì)流或者 Thermocapillary對(duì)流。Heiple 等提出了另一種模型，即如果在液體金屬中添加表面活性劑，ar/aT可能改變方向，由負(fù)值變化為正值，那么Marangoni對(duì)流流動(dòng)的方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，焊接熔池將由淺變深。

S、O、Se和Te元素是鋼中表面活性劑的有效成分。在逆向 Marangoni對(duì)流中，焊接熔池邊緣低表面張力的冷金屬液體被熔池中心地帶高表面張力的液體金屬牽引，向熔池中心流動(dòng)。這種模型有利于從熱源向熔池底部的對(duì)流換熱。

圖6-4 焊接熔池對(duì)流流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力

對(duì)有等離子體產(chǎn)生的切應(yīng)力來(lái)說(shuō)，等離子體以很高的速度沿熔池表面向外運(yùn)動(dòng)，這就給熔池表面施加了一個(gè)向外的切應(yīng)力，如圖6-4(c)所示。由此而產(chǎn)生的切應(yīng)力使得液體金屬?gòu)娜鄢刂行南蛉鄢剡吘壛鲃?dòng)，在流動(dòng)到熔池邊緣后在熔池表面下返回。

小孔氣流帶動(dòng)激光焊接熔池運(yùn)動(dòng)的研究是近些年才開始的。Amara等專門研究了蒸氣流動(dòng)誘導(dǎo)激光焊接熔池運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。小孔氣流在不斷從小孔出口噴發(fā)出來(lái)的同時(shí)，氣流給熔池和小孔的共同壁面產(chǎn)生一個(gè)摩擦力。該摩擦力帶動(dòng)小孔附近的焊接熔池運(yùn)動(dòng)。顯然，這種運(yùn)動(dòng)和氣流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)密切相關(guān)。小孔氣流摩擦力對(duì)熔池的影響，是建立在小孔模擬和小孔內(nèi)氣流流動(dòng)研究基礎(chǔ)之上的，計(jì)算得到的熔池附加流動(dòng)速度在0.5~1.0ms�？紤]了氣流流動(dòng)對(duì)熔池的影響，是對(duì)激光焊接熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力研究的拓展，但部分深熔的二維型以及復(fù)雜的激光光路跟蹤研究不適合于完全熔透的激光深熔焊過(guò)程的研究。

綜上所述，目前所建立的激光深熔焊數(shù)學(xué)模型，深入分析了激光深熔焊過(guò)程中的各種現(xiàn)象，分別從不同的側(cè)面對(duì)激光深熔焊中的小孔效應(yīng)和熔池流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了有效的模擬這些數(shù)學(xué)模型理論大大增加了人們對(duì)激光深熔焊過(guò)程中物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，逐步揭示了激光深熔焊接的工藝機(jī)制。表6-2比較詳細(xì)地列出了近30年來(lái)激光深熔焊的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了對(duì)比闡述。通過(guò)匯總對(duì)比分析，可以比較清楚地了解激光深熔焊數(shù)值模擬的發(fā)展過(guò)程。圖6-5總結(jié)了激光深熔焊接過(guò)程中的能量交換基本關(guān)系。

圖 6-5 激光深熔焊接過(guò)程中的能量守恒關(guān)系圖

圖6-6 激光深熔焊接過(guò)程中流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)行為研究的內(nèi)容

通過(guò)以上研究，得出如下結(jié)論:

①采用由旋轉(zhuǎn)高斯體熱源和雙橢球形體熱源組成的組合熱源模型來(lái)模擬鈦合金激光深熔焊小孔的形成以及焊接熔池流動(dòng)速度場(chǎng)是合適的。體熱源模型能夠反映激光深熔焊過(guò)程的基本物理過(guò)程，同時(shí)也體現(xiàn)了控制容積法的模擬特點(diǎn)。

②在完全熔透的激光深熔焊接過(guò)程中，小孔直徑對(duì)激光功率不是十分敏感，而小孔的傾斜角度隨著激光焊接速度的增加，變化十分明顯。在小孔內(nèi)氣流壓力不變的條件下，由小孔自由表面曲率引起的表面張力壓力，和焊接速度具有很大關(guān)系。隨著焊接速度的增加，小孔穩(wěn)定性是逐步降低的。

③激光深熔焊熔池的流動(dòng)速度以上表面為最大，Marangoni力對(duì)熔池表面的對(duì)流換熱起主導(dǎo)作用。在移動(dòng)熱源的作用下，Marangoni流由圍繞激光加熱中心的對(duì)稱形態(tài)演變?yōu)槿鄢亻L(zhǎng)軸方向與焊接方向平行的蝌蚪形。在熔池表面以熔池寬度1/2為半徑的速度“虛圓內(nèi)，熔池流動(dòng)速度較大，在此“虛”圓外，熔池流體的流動(dòng)速度逐漸減小。在焊接熔池內(nèi)部，流體流動(dòng)速度明顯低于熔池表面，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊接速度值。熔池背面流體流動(dòng)速度值大于熔池內(nèi)部金屬的流動(dòng)速度值。

④焊接熔池的形狀和尺寸，與熔池流動(dòng)速度渦旋的尺寸和位置具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。熔池渦旋是 Marangoni 流和固一液界面的反沖力共同作用的結(jié)果，浮力及重力只起輔助作用。熔池流體流動(dòng)渦旋的存在，大大強(qiáng)化了高溫金屬流體和冷流體之間的對(duì)流換熱，從而直接影響焊接熔池的形狀的尺寸。

⑤激光深熔焊?jìng)?cè)吹輔助氣流的參數(shù)是決定焊接熔池保護(hù)區(qū)尺寸和減小小孔噴發(fā)等離子煙流的主要因素之一。加大等離子煙流附近的流動(dòng)速度，有利于對(duì)流散熱，進(jìn)而加大等離子體正離子和負(fù)離子之間復(fù)合的概率，從而有利于焊接質(zhì)量的提高。輔助氣流為氦氣的組分流場(chǎng)和輔助氣流為氙氣的流場(chǎng)有較大的差異。從保護(hù)區(qū)尺寸角度看，氣的保護(hù)優(yōu)于氣的保護(hù)。

轉(zhuǎn)自：激光切割應(yīng)用中心

來(lái)源：激光精英集

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